本文主要是面向强场人工引力波源和肿瘤治疗应用开展激光离子加速和相关探测方法理论研究。通过粒子模拟方法研究激光离子加速新方案,并分析光束指向波动对微通道光调控和激光-微结构靶离子加速的影响;同时,为探索人工高频引力波的新型探测方法,提出一种超高灵敏度干涉腔。本文的主要研究结果如下:第一,通过粒子模拟的方法,提出并验证基于靶厚鞘层加速机制的复合微结构靶质子加速方案。模拟结果表明,按照光强分布进行调制的复合微结构靶可以为靶后的鞘层加速场提供新的热电子源,从而有效提高加速效率,将质子加速到更高能量。第二,高能氧离子束在治疗有些类型肿瘤上具有独特的优异性,但文献中鲜见有激光氧离子加速的报道。我们提出结合通道的双层靶结构氧离子加速方案,在获得准单能氧离子束的同时,可以进一步提高加速效率,不管是峰值能量、能散度还是高能粒子数,均获得了较好改善。第三,首次分析了光束抖动对微通道光操控和激光-微结构靶离子加速的影响。发现空心微通道除了可以用作等离子体透镜会聚增强激光外,也可以用作等离子体定位器,在一定范围内限制激光场的指向抖动,横向稳定光束中心位置。适当的光束指向抖动不仅不会减弱光增强效应,反而能够明显地进一步提高激光强度。第四,提出一种超高灵敏度干涉腔。腔共振增强和腔内多次反射增强效应相互级联,极大地提高探测光偏转角对微小外磁场的反应能力,提高相关量子精密测量仪器的灵敏度;同时,从基础元器件上实现了探测灵敏度连续可调,也为信号和噪声处理提供了新途径。这些结果有利于促进我们正在探索的强场人工引力波相关探测方法研究。