利用相对论强度的激光脉冲与等离子体相互作用能够产生超过传统加速器三个量级以上的加速电场,所以可更加有效地加速粒子,在台面尺度内即可将粒子的能量提升到所需求量级。本文基于前人工作,对一种高效的增强型靶背鞘层加速（TNSA）方案进行了理论分析和数值模拟研究。我们的主要结论如下:第一、等离子体波导可以作为光学转换器来调制超强高斯激光产生独特的高阶模激光。由于这些高阶模群速度存在差异,其阶数从波前到波尾逐渐增加。在高阶模式放大区域内,纵向电场的强度比其初始值至少提升一个数量级。我们还建立预测纵向电场分布和强度的简单理论模型。尽管该模型不是完全相对论的,但理论结果与模拟结果的一致性证明了线性本征模结构是稳健的,并且这一模型也适用于高强度激光脉冲。对相关参数的讨论表明等离子体波导中的光学模式转换适用于不同的激光强度、偏振态以及入射角。第二、通过采用一个等离子体波导靶（PWT）的增强型TNSA方案,可以大幅提高相对论超短激光脉冲到离子的能量转换效率。强度为4.3×1020W/cm~2、脉宽为26.7 fs、能量为1.53 J的激光脉冲,与PWT靶相互作用获得的质子和碳离子的最大能量分别可达46 Me V和150 Me V。相应的激光脉冲到离子能量转换效率可以高达15%。我们还提出了全3D动力学分析理论模型,在离子能量对激光器和PWT参数的依赖性上理论模型预测的结果与数值模拟结果吻合较好。有效提升的能量转换效率和对各项参数的鲁棒性表明,该方案适用于在惯性约束聚变（ICF）,激光加速器,紧凑型中子源和医学治疗中的应用。第三、我们研究了相对较长（数百fs）的激光脉冲与丝阵靶（WT）相互作用的靶背鞘层加速（TNSA）方案。相对于经典的平板靶（PT）方案,使用了丝阵靶（WT）可以有效提升加速离子和质子的截止能量εmax和能量转换效率η,其截止能量εmax和截止能量η大约是经典PT的3倍。激光到离子的能量转换效率甚至可以达到40%。加速得到的质子和离子的性质也可以通过控制激光和线阵列参数来调整。因此,TNSA的本方案应可用于肿瘤治疗,惯性约束聚变中的快点火等应用。