传统的射频粒子加速器经过近百年的发展已接近技术和经济可行性的极限,主要原因在于受到材料电离击穿阈值的限制,其加速梯度被限制在100 MV/m。超短超强激光驱动的粒子加速器可以获得高于传统加速器三个量级以上加速梯度,为粒子加速提供了一个全新的思路。近几十年来,激光等离子体加速器在理论和实验上进展迅速。其中激光驱动离子加速器产生的离子束具有脉宽短、亮度高、方向性好等特点,这使其在激光聚变、离子束诊断和治疗、超快成像等方面都具有广泛的应用前景。本论文的工作即主要研究超短超强脉冲与等离子体相互作用过程中高能离子加速问题。　　论文主要包括三个部分:　　第一部分(第三和第四章)研究了相对论激光和临界密度等离子体相互作用的过程。其中第三章讨论了临界密度靶中的激光整形过程。我们通过三维粒子模拟发现激光相对论自聚焦、相对论自相位调制、相对论穿透这三种效应能够共同作用于临界密度等离子体中,从而实现了三种激光整形的现象。当激光穿透临界密度等离子体时,在横向,相对论自聚焦效应能够把激光焦斑聚到1μm以下,从而把激光的光强提高一个量级以上。在纵向,激光自相位调制导致脉冲压缩和脉冲前沿变陡。同时激光的相对论穿透可以用来吸收激光的预脉冲从而提高激光对比度。因此我们提出了用临界密度靶做为一种等离子体透镜来产生高强度、高对比度、陡上升沿激光脉冲的新方法。第四章将介绍临界密度中的激光直接共振加速电子的物理机制。在临界密度等离子体中,电子在自生场作用下的振荡频率能够和激光频率共振,从而其能够有效地从激光那里直接得到能量。这种激光直接共振加速机制在临界密度电子加速中占主导地位。本章中讨论了线偏振和圆偏振下电子共振加速机制的区别,发现在圆偏振情况下存在一种电子自匹配的直接加速机制。进一步我们讨论了双层靶(临界密度靶+固体密度靶)中的离子加速问题,发现临界密度中产生的高强度激光和直接加速的高能电子能够有效的用于离子加速,在同样的激光参数下双层靶能够显著提高离子能量和降低离子束能散。　　第二部分(第五章)讨论了两种特殊结构靶:弯曲靶和充气锥靶中激光驱动离子加速过程。对于弯曲靶下的电子加速机制进行了研究,发现真空电子加热机制对于这种弯曲靶的激光吸收来说起关键的作用,其能够提高电子的加热效率从而提高离子的能量。模拟还发现这种弯曲靶能够把离子聚集到很高的密度。对于充气锥靶的研究发现这种新型的靶结构能够汇聚激光,从而提高激光强度和激光等离子体能量转换效率。模拟发现利用这种充气锥靶能够在仅仅2.6×1020W/cm2的激光强度下产生准单能的181MeV的离子束。　　第三部分(第六章)介绍了在MPQ/LMU离子加速实验的一些最新进展以及相关的理论和模拟研究工作。真实的实验条件下激光的主脉冲前会有ps和ns的预脉冲,这个预脉冲和靶的相互作用会导致靶的预膨胀和扩张,从而产生靶前和靶后的预等离子体。我们讨论了靶的预等离子体对于离子加速的影响,发现合适参数的靶前预等离子体能够有效的提高离子能量,而靶后预等离子体则会严重降低离子的能量。通过模拟研究我们对于相关的实验结果进行了讨论和分析。此外实验中通过激光和超薄靶(nm量级)相互作用得到了极小发散角(～2?)的离子束,离子发散角的大小和薄靶(μm量级)相比减小了一个量级。我们通过模拟和理论模型对于这个问题进行了研究,发现这主要由于超薄靶情况下在靶后电子纵向上非常陡峭的密度梯度和横向上指数的密度分布造成的。这些研究说明超薄靶能够产生高流强的离子束,这对于需要高离子流强的核反应及稠密等离子体物理等问题的研究有重要意义。