随着重离子束流相关研究领域的发展,对重离子加速器装置束流的能量,流强和品质提出了更高的要求,同时对于离子源来说,提供满足新型加速器装置需求的高电荷态强流束也面临着巨大的挑战。激光离子源是在μs量级,产生脉冲型束流最强的离子源,特别是难熔重金属元素,它也是目前可能满足新型加速器装置束流需求的几种离子源之一。但是目前激光源产生的束流品质比较差,束流的稳定性和重复性很难保证,另外离子源产生的束流能散也比较大,上述这些优缺点都与最初的激光等离子体的状态有关。在本论文中系统地研究了不同的激光参数以及靶材、透镜等条件对所产生离子的影响,并对直接等离子体注入RFQ的方案进行了实验和模拟的研究。通过上述的研究工作,对激光离子源高电荷态离子的产额进行优化,是为满足HIAF加速器装置对离子源的需求进行的基础研究,同时对于重离子治癌装置注入器的研制也有重要意义。目前近物所激光源已产生了C,Al,Ti,Ni,Ag,Ta,Pb七种强度在毫安量级,脉宽在微秒量级的脉冲束流,得到的最高电荷态分别为C6+,Al12+,Ti16+,Ni19+,Ag21+,Ta13+,Pb12+。本文系统地研究了激光的输出能量,波长,入射角度等参数对离子产额的影响,并在上述研究基础上对C6+离子的产生进行了优化,结果表明:提高激光的能量,采用基频波长,尽可能的减小入射角度对于提高高电荷态离子的束流强度和产额是有益的,优化后的C6+粒子数达到了5x1010 ppp。实验的结果显示目前激光源束流的波动在5%以内,其主要受控制系统精度的影响,此外采用较长焦距透镜可以提高离子源长期运行的重复性和稳定性。首次设计并搭建了时间延迟在纳秒量级,能量比在线连续可调的双脉冲激光源,实验和模拟的结果表明,双脉冲打靶的方案可以提高离子的产额和直接等离子体注入的效率。采用流体模型对激光与等离子体相互作用的过程进行了定性的模拟,并与实验结果中观测到的现象做了对比和分析。采用直接等离子体注入的方案(Direct Plasma Injection Scheme,DPIS),将激光离子源产生的离子束经过初步加速后,可能满足同步加速器单圈注入模式的需求,因此对该注入方法进行了研究和探索。实验上已通过该方法成功的加速了峰值流强在13 m A,能量593 ke V/u的C6+束流。在模拟中,由于激光源引出的束流为脉冲束,结构复杂,因此把束流的每个剖面当作直流分别进行了计算。实验和模拟的结果都表明:在目前的激光离子源以及注入参数条件下,束流的脉宽经过RFQ加速后会变窄,整个C6+束流的传输效率不足40%。此外,通过模拟对离子源的引出电极,等离子体的漂移距离等参数进行了优化设计,同时也考虑采用双脉冲打靶注入的方案,以及引入电磁透镜等对束流的传输进行约束,模拟结果表明优化后可以被RFQ俘获的C6+粒子数有望增加4到5倍,本文中也给出了具体的改进思路,这部分工作有待实验验证。总的来说,通过DPIS的方法,被RFQ俘获并加速的C6+粒子数可以达到1010 ppp量级,采用上述方案的注入器可满足治癌装置单次注入模式的需求,这对其小型化有重要意义。