超短超强激光技术的发展使得人们利用激光与等离子体相互作用产生新型的辐射源和粒子源成为可能。由于用这种方法产生的源相对于以往有着脉宽短、亮度高、方向性好等一系列优点,它们在激光聚变、新型粒子加速器、医疗诊断和治疗、以及各种物质超快成像等方面具有广泛的应用前景,因而吸引了全世界众多的等离子体物理,激光物理和加速器物理学家们的极大兴趣。强场物理中的核心问题之一是强激光与等离子体作用产生高能粒子。该问题的深入研究对实现新型粒子加速器、惯性约束聚变“快点火”方案、天体物理中高能宇宙射线产生机制都有重要参考价值。本论文的工作着重于讨论强激光和等离子体相互作用产生的无碰撞静电冲击波对离子的加速机制以及准静态自生磁场的产生。　　 本论文包括六个部分:　　 第一章绪论主要是总结了超强超短脉冲激光与等离子体相互作用的一些特点,简单地总结了近几年中激光等离子体领域所取得的研究成果。另外有一些研究成果与作者所做研究课题有紧密的联系,将在各章中提及。所涉及的内容主要包括:激光与等离子体相互作用过程中高能电子和高能离子的产生,准静态自生磁场以及实验室天体物理相关过程。　　 在论文第二章中,我们主要讨论了激光等离子体相互作用过程中一种重要的不稳定性过程——受激拉曼散射不稳定性。着重研究了非相对论强激光与一维等离子体相互作用中的受激拉曼散射(SRS)的非线性饱和效应,得出了Langmuir波衰变不稳定性(LDI)和电子捕获两种机制下SRs饱和时间的解析表达式,并且详细讨论了SRs饱和时问与入射激光强度,电子密度,电子温度,初始电子密度微扰等参数的关系。解析理论计算得到了与模拟和实验相符的结果。　　 第三章主要介绍了超短超强激光脉冲与等离子体相互作用过程中的无碰撞静电冲击波的结构以及冲击波对离子的加速过程。超短强激光脉冲与等离子体相互作用中的离子加速现象是近年来在强场物理领域很受关注的课题。高能离子束在惯性约束核聚变、质子束成像、医学诊断和治疗等方面具有重要的潜在应用价值[1-3]。离子加速过程有以下两种情况:(1)在靶前及靶后表面的热电子的自由膨胀引起的鞘层离子加速和(2)在靶前表面由于有质动力加速电子,使电子和离子分离产生静电库伦场从而推动离子加速。近年来,人们对上述机制进行了深入的实验和理论研究[4,5]。但这两种在靶表面附近对离子的加速机制因为受到加速距离的限制,难以获得很高的离子能量,离子能谱也较宽。如何将强激光作用产生的加速离子能量进一步提高,以及探索其他新型粒子加速机制受到了人们的广泛关注[6-8],其中无碰撞静电冲击波加速作为一种重要机制得到了广泛而深入的研究。我们在无碰撞静电冲击波离子加速这方面主要是研究它的加速机制和一些特性。本章主要研究等离子体内部的质子被强激光场驱动的等离子体前表面的无碰撞静电冲击波加速的过程以及冲击波的结构。在相关理论研究的基础上,我们还进一步提出激光等离子体中冲击波离子加速的实验规划和实验方案,并且成功研制出了一套适用于冲击波离子加速实验中对离子束能谱和角分布进行诊断的关键仪器——Thomson离子谱仪。通过理论计算合适的离子能谱范围和分辨率等参数,我们成功设计研制了一台高分辨率和高信噪比,能够对高能离子能谱分布进行精确测量的Thomson离子谱仪。此离子谱仪满足靶室真空要求,外加屏蔽层以适应复杂环境(屏蔽杂散光、中子、X射线等)。离子谱仪安装、调节方便,提供响应曲线和能谱分辨的定标数据,数据处理方便。　　 在激光与等离子体相互作用中激光通过各种耦合机制比如逆轫致吸收、受激喇曼散射、共振吸收、成丝不稳定性[9-14]等过程,把激光能量交给等离子体并使等离子体中的一部分电子得到了加速。这些加速的电子离开相互作用区时由于等离子体电中性的要求将产生分离静电场,静电场一方面将部分电子拉回,另一方面又会对等离子体中的离子产生加速作用。由于激光聚焦不均匀、靶的不平整等因素影响,被电荷分离场拉回的电子不可能沿原路径返回,所以等离子体中会产生净电流从而激发自生磁场。此准静态自生磁场对于ICF中电子输运、冲击波离子加速、X射线产生以及天体物理中的电磁辐射过程都具有重要影响。几种重要的自生磁场产生机制包括:等离子体的温度梯度和密度梯度非共线性热电机制[9]、共振吸收[11]、Weibel不稳定性[14]、激光有质动力[15]和激光碰撞吸收导致各向异性电子压力[16]。在第四章中我们主要对线偏振和圆偏振横向高斯分布超强激光脉冲和低密度均匀等离子体作用中,准静态自生磁场的产生机制和自生磁场的一些特性进行了理论研究。通过建立描述激光等离子体作用中自生磁场的流体模型,得出此准静态磁场(轴向B2和方位角B0)的解析表达式,并且对准静态磁场随激光等离子体参数的变化关系和磁场的空间分布等特性进行了深入讨论。　　 第五章我们主要讨论了实验室天体物理中光电离过程[17-19]。我们知道,等离子体广泛存在于宇宙之中,比如宇宙之中的各种星云就是由非常稀薄的等离子体构成。这些稀薄的等离子体存在于其他高密度天体周围,受其发射出的高强度连续谱x射线辐照,其相互作用物理过程主要是光电离[17-19]。通过分析观测到的光谱(谱线位置、相对强度),我们就可以知道周围物质的状态、高密天体的辐射温度。在实验室中人们利用高功率激光产生X射线辐射,模拟宇宙中的黑体辐射。利用此“黑体辐射”源辐照产生低密度等离子体。通过测量辐射源和等离子体的特征,并与理论模型结果进行比较,可以修正已有的理论模型,提高天文学家对观测到的天文光谱的分析精度,有助于人们了解辐射天体周围发生的物理过程,把握宇宙天体的相关特征。所以,光电离等离子体实验对等离子体物理、天体物理以及原子物理等诸多相关学科都有着重要的意义。我们在上海光机所神光Ⅱ强激光装置和日本大阪大学ILE实验室GEKKO-XII高功率激光装置上进行了多次实验室天体物理光电离和磁重联实验,在实验室中利用高功率激光照射腔靶产生的X射线辐照环境下,对稀薄等离子体光电离过程特性进行了研究。我们提出了以下实验方案来研究光电离,使用薄膜靶作为等离子体样品置于腔靶中心处,实验中样品等离子体将受到激光辐照腔靶产生的黑体X射线辐射的均匀辐照,其主要作用机制为光电离过程;在此之后的一定时间延时范围内,利用另一路激光与背照金靶相互作用产生背照x射线辐照在等离子体上,其吸收光谱将在实验中进行测量,从而达到对整个光电离过程的诊断和记录。　　 论文最后一章对研究工作做了总结。