高能离子束特别是高能质子束在现实生活中有着重要的应用,诸如惯性约束聚变中的“快点火”、质子成像,肿瘤治疗等,因此产生高品质的离子束是人们追求的目标。基于外电场直接加速的传统加速器虽然产生的质子束品质比较高,但是由于加速梯度以及装置材料的耐破坏程度的限制,在普通实验室规模内无法获取能量很高的质子束。近三十多年来,随着啁啾脉冲放大技术的迅速发展,已经可以产生光强大于10 22 W /cm 2超短超强激光,在这样的激光条件下,激光与等离子体相互作用过程中,由于电荷分离产生的静电场强要远高于传统加速器中的。其中TNSA加速利用的是加速超热电子产生靶后鞘层分离场,而RPA加速利用的是激光光压直接推动电子层产生电荷分离场。因此通过超短超强激光脉冲与等离子体相互作用产生高能质子束成为了当前国际上的研究热点。本文利用二维的粒子模拟程序APIC2D3V,对激光与等离子体相互作用过程中的一些物理现象进行了模拟研究,以期获得高品质的质子束。首先我们研究了用“三层靶”结构提高质子束的单能性。这种靶结构结合了凸起靶和“三明治”靶的优点,能够同时抑制激光时间和空间的不均匀性。它是在凸起靶的前面放置一层厚度适中的靶,其中凸起靶是为了减小激光的横向不均匀性对加速的影响,抑制靶的变形,前面放置的厚靶是为了减小实际应用中高斯型激光的时间不均匀性对单能性的影响。从模拟结果中可以看出,在参数选取合适的情况下“三层靶”结构确实抑制了靶的变形,同时改善出射质子束的单能性。其次我们研究了毛细管结构的靶对质子束的准直作用。通过对有无毛细管的情况做的模拟得到的结果,我们得出结论:毛细管结构可以有效减小质子束的发散角。从物理过程中分析,电子在进入毛细管后,由于回流效应,会在管壁分界面上产生自生磁场,该自生磁场的方向恰好可以对电子束起到约束作用,从而起到准直的作用,虽然该磁场对质子的洛伦兹力会使质子向外扩散,但是和电子的约束作用相比,质子扩散的作用非常微弱,质子束的加速主要是由于产生了电荷分离场,电子束的箍缩必然会导致质子束的准直,理论得到的结果与模拟基本匹配。最后我们研究了激光与中等临界密度的等离子体相互作用的情况。在这种情况下,靶的厚度较大,主要的加速机制是激波加速,当磁场穿透靶后向外扩散时会产生“磁涡旋”结构,该结构诱导产生很强的纵向电场,从而对质子加速。研究表明,靶后表面存在密度梯度是对加速有利的。同时我们还研究了采用双脉冲入射在等离子体中产生双激波结构的情况,在激光包络不叠加而两束激波能够相遇的情况下,质子束的截止能量可以得到很大的提高。总之,我们用二维粒子模拟方法对激光与等离子体相互作用加速质子进行了研究。分别针对改善单能性、方向性、提高最大能量三个方面,提出了有效的靶结构,并获得了较好的结果。