随着激光技术的迅猛发展，激光的输出功率已经达到了PW量级，脉宽小于10fs，聚焦后的功率密度超过1022Wcm-2。如此超强超短激光脉冲的出现，使其加速梯度可以达到100GV/m，电子可以在厘米量级的距离内获得GeV的能量增益，这使得发展新一代小型化、低廉的、台面型高能加速器成为可能，已受到人们普遍关注。高能电子、离子束对于激光核聚变“快点火”，超快成像，肿瘤治疗以及产生医用同位素等方面有着重要的应用价值。激光等离子体相互作用是高度非线性，十分复杂的物理过程，用超强超短激光脉冲加速得到的电子、离子束的方向性、准直性、单能性以及能量增益等特性离实际应用还有一段的距离。　　 本文研究了超强超短激光脉冲在真空与等离子体中对带电粒子的加速，主要包括：初始为高斯型的亚光周期激光脉冲在真空中的传输特性及其对带电粒子的加速；光场的高阶修正的必要性及其对电子加速的影响；超强超短激光脉冲与靶前低密度预等离子体相互作用中产生的高能电子；超强激光脉冲与凹型靶相互作用中的离子加速；超强激光脉冲与等离子体薄靶相互作用中，产生的冲击波对离子的加速和作用过程中单能离子束的产生。本学位论文具体的工作如下：　　 1、提出了利用衍射诱导变换(diffraction-induced transformation)方法求解初始为高斯型的超短亚光周期激光脉冲在真空中传播的解析模型。研究了该模型得到的光场在真空中的传输特性及其对静止的带电粒子的加速，发现亚光周期激光脉冲具有强的时空耦合特性，导致激光脉冲的形状发生变化。带电粒子在一定的条件下能从激光中获取能量，而且带电粒子相对于亚光周期激光脉冲的初始位置对粒子的能量增益有很大影响。电子被加速的最佳初始位置随着激光强度的增加而增大，最终趋于一个稳定值。带电粒子能量增益随着激光强度的增大而增大，但是与脉宽成反比。将解析结果与δ函数激光脉冲的结果进行了比较，发现两者描述亚光周期激光脉冲与带电粒子的相互作用动力学行为的结果一致。　　 2、将初始为高斯型的亚光周期激光脉冲的电磁场在中心频率处进行泰勒展开并代入旁轴近似波动方程中，得到了激光场在真空中传播的高阶修正解析表达式，更精确的电场满足()·E=○(ε5)(衍射角ε是小量)，其结果更好地满足Maxwell方程组。利用该表达式研究了亚光周期激光脉冲的传输特性，发现脉冲宽度小于一个光周期时场的高阶修正必须考虑。同时在此基础上研究了激光对电子的加速，发现场的高阶修正在一定的初始相位范围内对电子加速影响大，电子与激光同步时获得的能量最大。　　 3、对超强超短激光脉冲与靶前低密度预等离子体相互作用的电子加速问题进行了理论和数值模拟研究。研究发现在激光脉冲里有质动力俘获并加速电子，并通过进入固体靶而摆脱激光脉冲的束缚，使电子获得能量增益。同时，在激光脉冲尾部能产生等离子体尾场，形成电子空泡，在空泡底部俘获大量回流电子，使其进入加速相位，得到能量高、单能性好的电子束。空泡里的电子束受反射激光脉冲的影响不大，最终可以穿过靶而得到发散角小、单能性好以及能量更高的电子束。　　 4、用数值模拟方法研究了超强超短激光脉冲与凹型等离子体靶相互作用中的离子加速。发现靶前产生的超热电子出射到凹型区域后能汇聚到焦点处，产生的鞘层静电场要比平面靶的更强，这样可以拉动离子往激光传播轴附近汇聚，加上激光脉冲对靶的烧蚀效应，最终在靶后得到了聚焦性好、密度高、束流强的离子束，这样的离子束对于ICF快点火和肿瘤治疗具有重要的应用价值；同时提出了求解离子最大能量的一维流体理论模型，计算结果与PIC模拟结果符合得很好。　　 5、用一维PIC模拟程序研究了超强超短激光脉冲与薄靶相互作用中冲击波的产生和离子的加速。研究发现当激光脉冲穿透等离子体靶时，在膨胀等离子体中可以产生冲击波，冲击波反射并有效加速离子，最终超越且屏蔽仅由鞘层加速的离子；并且发现由冲击波加速产生的离子获得的能量增益是仅由鞘层加速的离子获得的能量增益的两倍还多。　　 6、用一维PIC模拟程序研究了超强超短激光脉冲与薄靶相互作用的离子加速，发现在激光与靶材参数合适条件F，等离子体靶里能产生孤立波并俘获离子产生单能离子束，随着激光脉冲透射等离子体靶大量电子迅速被加热，使得电子回流更快且向两边膨胀，导致孤立波双极静电场演变成陡直正向单极静电场，当这个静电场向前传播时可以俘获局部离子形成单能离子束。