随着激光技术的快速发展，尤其是啁啾脉冲放大技术(CPA)的提出和实现，近来实验室中已经能够获得聚焦强度超过1022W/cm2、单脉冲宽度小于10fs的相对论激光脉冲。超强激光与等离子体相互作用应用广泛，例如粒子加速、高次谐波与阿秒脉冲产生、激光正电子源以及强场核物理等领域。超强激光驱动的离子加速是备受人们关注的研究热点之一，得到的高能离子可以用于质子成像、离子治疗、传统加速器注入及惯性聚变快点火等诸多方面。作为电子的反粒子，正电子在反物质科学、天体物理与材料检测等方面具有广泛的应用价值。在这些正电子基础科学及应用研究中，正电子源一直是最为根本的。目前，基于放射性同位素与传统电子加速器产生的正电子束一般脉宽较长、密度也不高，难以满足天体物理等应用的需求。相对论强激光驱动产生的正电子源由于其高产额、短脉宽、高密度等优势已然成为正电子领域的热门。　　本研究主要内容包括：⑴利用超强飞秒激光进行了基于激光加速电子的正电子产生实验研究。所用激光装置为中科院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室的飞秒拍瓦激光装置。国内首次在实验上得到了高强度、高密度的超短MeV正电子束。利用超强激光与高密度气体靶相互作用，加速得到具有大电荷量的相对论高能电子束。然后，高能电子束照射高Z固体靶，得到了高密度的MeV正电子束。实验中厚靶条件下产生的电中性的电子-正电子等离子体可以用于实验室天体物理的研究。同时，MeV正电子束是超快的，脉冲宽度仅为数十个飞秒，因而其峰值强度高达7.8×1021 s-1。这种超快的正电子束可用于高分辨地研究毫米厚度材料的快动力学过程，并在正电子湮没谱学方面具有潜在应用前景。⑵为了在正电子产生实验中精确地探测正电子，设计制造了正电子谱仪。正电子产生过程中，正电子的产额远远低于电子和高能光子，甚至是多个数量级的差距。即正电子的出射过程中伴随有大量的电子出射和强烈的伽马辐射。所以在正电子产生实验中，正电子的精确检测是保证实验顺利完成的关键。为此，我们特别设计制造了屏蔽噪声的正电子谱仪用于正电子的检测。⑶理论上提出了一种新型的基于无碰撞静电激波(collisionlesselectrostatic shock，CES)的级联质子加速方案。利用超强激光辐照固体靶产生一个稳定的CES场，对另一束外注入的质子束进行加速。通过计算模拟和理论分析，发现一束初始能量为55MeV的质子源能够被进一步加速到265MeV并保持较窄的能散分布。这一方案为利用现有的高强度激光装置产生能量为数百MeV的质子束提供了一条可能的途径。⑷在强场激光物理国家重点实验室飞秒拍瓦激光装置上进行了基于超强激光与团簇气体靶相互作用从而加速产生纯净离子的实验研究。脉宽为45 fs的相对论激光脉冲与氩气团簇靶相互作用，在实验上产生了一束高准直的窄能散氩离子束。该氩离子束带有高电荷态Ar16+，在能量峰0.39 MeV核子处具有最小绝对能散0.19MeV/核子。基于PIC模拟，提出了一种新颖的机制可以大大降低离子束的能散。相对论激光脉冲驱动产生的强等离子体尾场对离子束的能谱具有很强的调制作用——尾场可以去掉离子能谱的低能部分。由库仑爆炸得到的预加速氩离子经过激光尾场调制后能散下降并且准直性变好。基于相对论激光与团簇气体靶的相互作用，这种新颖的机制可以提供多种高能离子。实验产生的窄能散高品质重离子束可以为许多应用带来重大进展，如医学治疗、核物理和传统加速器的注入级。实验结果也第一次揭示了等离子体尾场对激光驱动的MeV离子束的调制作用。