随着计算机技术的迅速发展,数值模拟成为继理论和实验研究之后,激光等离子体物理领域的第三种重要科学研究手段。本论文借助于理论解析和数值模拟,对多光束与等离子体相互作用以及粒子加速进行了研究,着重对激光尾波场碰撞脉冲电子注入、光场电离诱导的等离子体密度光栅、激光尾波场质子加速等激光等离子体物理领域前沿问题进行了探讨。本论文主要包括三个部分:　　 第一部分(第二章和第三章)研究了激光尾波场三束碰撞脉冲注入中,注入脉冲激光频率对电子注入数目的控制。在这种注入机制中,一束强泵浦脉冲在稀薄等离子体中传播激起尾波场,两束相向传播的注入脉冲在尾波场中相碰撞形成一个相速度很慢的拍频波,背景电子被拍频波加速最终被尾波场捕获。我们利用哈密顿方法分析了这种注入机制的相空间轨道,给出了尾波场的最佳注入相位以及注入脉冲的阈值光强。为了更好地控制注入过程,我们理论分析和粒子[Particle-In-Cell(PIC)]模拟了稀薄等离子体中的电子在激光拍频波中运动。包括注入脉冲的强度、偏振态、频率以及电子初始速度对电子运动的影响。尤其讨论testparticle模型[Phys.Rev.Lett.79,2682(1997)和Phys.Rev.E59,6037(1999)]中没有考虑的拍频波诱导的纵向静电场。我们发现这个纵向静电场的振幅依赖于拍频波相速度和电子流体速度,并且这一纵向静电场会导致尾波场的变形。当拍频波相速度大于电子流体速度时,拍频波将诱导一个正振幅的纵向静电场,这会局部地抑制尾波场,从而减小被捕获的电子数目。一维PIC模拟和二维PIC模拟均表明,对于给定的注入脉冲强度,存在着一个最佳拍频波相速度(即最佳注入脉冲频率差),使得注入电子数目最大。并且随着注入脉冲强度的增加,注入脉冲频率差的有效范围变大。　　 第二部分(第四章)主要研究了光场电离诱导的等离子体布拉格密度光栅的形成及其光子带隙结构。两束强度为1013Wcm-2的激光脉冲在稀薄中性气体中交叉作用形成驻波场,只有在驻波的波腹附近,气体才能够被电离。这样就形成了一个由中性气体层和等离子体层(或部分电离气体层)相问构成的密度光栅。这种光栅的密度调制依赖于初始气体的密度,空间周期依赖于激光波长以及两束激光脉冲的夹角。这种光场电离诱导的等离子体光栅与更高光强(1014-1015Wcm-2)下有质动力驱动的等离子体光栅相比,具有更长的寿命,能达到纳秒量级。理论分析和PIC模拟均表明等离子体光栅存在着光子带隙结构,并且在带隙附近存在着强烈的色散。当激光斜入射时,S偏振光的带隙宽度随着入射角的增大而逐渐变宽;而P偏振光的带隙宽度随着入射角的增大先迅速变窄,在布儒斯特角入射时带隙消失,然后又随着入射角的增大而迅速变宽。等离子体光栅能够降低光在其中传播的群速度,越靠近带隙边缘,群速度越低。超宽的光子带隙和超高的激光损伤阈值,使得等离子体光栅有望成为一种新型的操纵强激光脉冲的光子器件。　　 第三部分(第五章和第六章)主要讨论了辐射压加速和尾波场加速相结合的混合质子加速机制,以及利用表面光栅靶提高质子能量转化效率。当一束强度为1021-1023Wcm-2的超短圆偏振激光脉冲照射在一个由高密度质子薄靶和低密度重离子(有效荷质比为1/3)气体靶组成的混合靶时,薄靶中的电子被激光的有质动力稳定地向前推动,在激光前沿形成一个压缩的电子层,诱导生成一个很强的电荷分离场,接着薄靶中的质子被这个电荷分离场加速,获得GeV的能量。当激光脉冲穿透薄靶进入低密度重离子气体靶时,激起一个随激光脉冲高度移动的超强静电场,这个静电场与激光尾波场很类似。预加速的质子能够注入到尾波场中并得到持续加速。最后,当激光脉冲的能量消耗完或者质子已经跑出静电场的加速相位,质子加速过程结束。一维和二维PIC模拟结果显示,在合适的激光条件和等离子体参数下,利用这种混合加速机制能够获得能量为几十GeV、能散＜10%的准单能质子束。此外,在激光驱动的质子加速中,如何提高激光能量到质子能量的转化效率一直是个难点。二维PIC模拟显示,当一束超短强激光脉冲照射在表面刻有亚波长光栅结构的固体靶时,会在靶表面形成周期性的电荷分离场,这些电荷分离场与激光场一起加热电子,显著地提高了靶对激光能量的吸收,从而大大提高靶后表面的高能质子的能量转换效率。