目前的激光技术能提供强度达1020 W/cm2、脉宽仅几十个飞秒、对比度达1010的超短超强高性能激光束。利用超短超强激光脉冲与等离子体作用产生新型粒子加速和新型辐射源是该领域重要的研究课题。譬如激光尾波场电子加速器是一种具有巨大潜力的台面电子加速器；强激光与不同密度的靶(气体、团簇、固体靶)作用可以产生从太赫兹(THz)波段到伽马射线波段的高强度电磁辐射，对科学研究、医学和工业生产都具有重要应用价值。本论文围绕这些问题开展如下三方面的理论和数值模拟研究工作：尾波场电子加速器中的光学注入问题，强激光或偏置电场与稀薄气体靶或等离子体作用产生高强度太赫兹辐射问题，强激光与具有亚波长表面结构的固体靶耦合问题。　　 在论文第一部分(第二、三、四章)，探讨了尾波场电子加速器中的光学注入问题。基于激光等离子体的尾波场电子加速器的设想自1979年提出到现在已经取得了丰硕的研究成果。目前关键的问题是如何把电子源注入到尾波场加速相位时而不影响尾波场，从而实现稳定的电子加速，此即所谓的控制电子注入。由于尾波场的一个加速结构一般具有几十微米的尺度，同时以太赫兹量级的频率在变化，传统的电子枪注入方法难以精确地把电子注入到合适的相位。2006年，Faure等人在实验中采用对撞的光学注入方案演示了非常稳定的电子加速，这是此领域的一个重要的进展，自此光学注入方案引起了人们广泛的兴趣。但该方案的物理机制以及注入电子数日对激光等离子体参数的依赖关系并不清楚。　　 本论文的第一部分讨论了光学注入的相关问题。　　 首先，作者用一维粒子模拟研究了与主激光脉冲反向传播的注入激光脉冲的强度和宽度对电子注入的影响，其中主脉冲产生大振幅尾波场，注入脉冲与主脉冲作用产生电子注入。根据注入脉冲的强度把电子注入分成三种情形，研究了在这三种情形下注入电子数目对注入脉冲宽度具有不同依赖关系的原因，给出了优化的注入脉冲参数。其次，作者在微扰近似下用哈密顿动力学分析了两反向传播的圆偏振脉冲的旋转方向和频率差对电子注入的影响，发现当两个圆偏振激光的电场矢量旋转方向相同时，可以通过拍频产生电子注入，当它们的旋转方向相反时，无法产生电子注入。此结论被一维粒子模拟结果验证。第三，考虑到在以上控制电子注入方案中，为了得到足够高能量的电子束，电子加速距离要取得足够长(通常大于几个Rayleigh长度)，这要求注入脉冲传播很长的距离后才能与主脉冲相遇、产生电子注入，这对弱的注入脉冲很不利，因为注入脉冲在传播过程中会被发散掉。作者提出让与主脉冲偏振方向相同的注入脉冲垂直于主脉冲传播方向入射，即让两脉冲传输很短的距离就能相遇。作者用二维粒子模拟演示了此方案，激光参数的优化也被讨论。处于0.1-10THz波段的太赫兹电磁波在生物、空间物理、安全等领域有着重要和不可替代的用途。但受传统材料低光学破坏阈值的限制，现在的方法(如光电导天线方法)只能低效的产生低功率的太赫兹波，无法满足众多应用的需求。等离子体不受破坏阈值的限制，因此它在强激光辐照下有望产生高功率太赫兹辐射。目前这方面的研究主题是如何提高太赫兹辐射的产生效率。　　 在本论文的第二部分(第五、六章)讨论这方面的问题。　　 首先提出了一个解析模型用于描述超短强激光作用气体靶产生太赫兹辐射的机制。激光电离气体时自由电子诞生瞬间会感受不对称的激光场，而产生了横向净偏移电流，此电流受立刻形成的等离子体调制而辐射出具有等离子体频率的太赫兹波。这一过程被包含电离过程的粒子模拟很好的验证。作者发现采用双色光激光方案，当入射激光不太弱时，太赫兹波强度随入射激光强度并不单调增加，这对应用不利。为此，作者提出采用啁啾激光入射，这时太赫兹波强度随激光强度成线性关系，并且其转换效率会大幅提高。然后，作者提出了用直流/交流偏置电场单独作用等离子体产生太赫兹辐射的方法。首先解析分析了等离子体把偏置电场转换成太赫兹辐射的可能性和机制。直流偏置电场被等离子体的本征振荡调制，而产生具有等离子体本征频率的振荡电场，此振荡场会从真空等离子体边界穿透出去，向真空中辐射具有等离子体频率的电磁波。此电磁波的频率、振幅、偏振、初始相位由等离子体密度、偏置电场振幅、偏振、初始施加时间单独决定，所以具有很好的可控制性和稳定性。当偏置电场是交流的，其频率接近等离子体频率时，等离子体本征振荡和外加偏置电场振荡共振，能非常显著的加强电磁辐射。这些分析结果被二维粒子模拟很好的验证。强激光与固体靶相互作用能产生高能电子、离子束以及keV量级的x射线辐射等，其中x射线的产生源于韧致辐射、Ka辐射等，其能量和强度取决于产生的高能电子数目和温度。因此如何提高激光与固体靶间的能量耦合效率是一个非常核心的问题。近年来，人们发现在固体靶表面加上亚波长量级的结构(如刻上光栅)可以对入射的强激光实现近全吸收。但至今对此仍缺乏合理的解释。　　 论文的第三部分研究超短强激光与亚波长光栅靶的相互作用和出现的强烈能量耦合现象。　　 首先提出了一个等离子体领域的解析模型用于描述这一作用过程，解释了亚波长量级的光栅靶近100％吸收入射激光的现象。激光场在光栅靶表面激发的周期性电荷分离而形成的强静电场与入射激光的强烈耦合是导致此高吸收率的原因。并给出了光栅靶对激光能量吸收率随光栅突出格子尺寸、沟渠尺寸、沟渠深度的变化特性。得到的结论被二维粒子模拟结果很好验证。利用该模型结合数值模拟可以解释印度同行的实验结果。