激光与等离子体相互作用一直以来都是人们研究的热点。激光脉冲在等离子体中传播时,会发生各种复杂的非线性相互作用,并产生丰富的物理现象,例如相对论自聚焦、等离子体通道、激光尾场激发、自相位调制、弯曲不稳定等等。这些复杂的现象使得激光等离子体在惯性约束核聚变快点火方案、软X射线产生、高次谐波的产生、激光尾场加速和新型光源中有着重要的应用价值。经过多年的发展,强激光脉冲在均匀等离子体中传播的理论和实验研究取得了很大的进展。人们发现当激光功率高于阈值功率时,激光脉冲就可以在一定等离子体密度范围内保持稳定的传播。激光脉冲在等离子体中的稳定传播,对今后电子的自注入和加速过程起到重要影响,也在粒子加速以及聚变上起到重要的应用。然而,目前对于强激光脉冲在非均匀等离子体的传播特性研究甚少。因此,本学位论文主要研究激光脉冲在非均匀等离子体中的传播特性,详细地讨论了激光脉宽、等离子体密度和等离子体密度分布类型对激光特性的影响。具体内容安排如下:第1章对激光技术的发展、等离子体基础以及激光等离子体相互作用的热点问题做了简单介绍。第2章讨论了相对论长脉冲激光在非均匀等离子体中的传播特性。基于Maxwell方程组与冷等离子体运动方程,通过利用哈密顿原理得出系统的拉格朗日方程,讨论了相对论长脉冲激光在非均匀等离子体中的传播特性。研究发现,当长脉冲激光在均匀等离子体中传播时,脉冲宽度的变化不影响激光强度和空间分布的变化。相应地,电子密度的分布是不变的。然而,激光脉冲的强度和电子密度的空间分布可以通过调制等离子体频率来调节。在具有高斯型密度分布的非均匀等离子体中,随着高斯型密度分布振幅的增大,长脉冲激光的强度逐渐增强,激光脉冲的横向分布逐渐呈现出尖锐状分布。在具有反高斯型密度分布的非均匀等离子体中,随着反高斯型密度分布振幅的减小,长脉冲激光的强度逐渐减弱,激光脉冲的横向分布呈平台状分布。因此,等离子体的非均匀性对长脉冲激光的传播有着重要的影响。高斯型密度分布和反高斯型分布的振幅和宽度对激光脉冲的强度和空间分布起着重要的调制作用。第3章对相对论超短激光脉冲在非均匀等离子体中的传播特性展开了讨论。基于Maxwell方程组与冷等离子体方程,我们通过利用哈密顿原理得出系统的拉格朗日方程,讨论了相对论超短激光脉冲在均匀等离子体与非均匀等离子体中的传播的情况。我们通过数值模拟对相对论超短激光脉冲在非均匀等离子体中传播的进行了研究。结果表明,相对论超短激光脉冲在均匀等离子体中可以实现稳定传输,通过调节入射激光的脉宽和等离子体频率,可以调节激光脉冲的强度和电子密度的空间分布。更有趣的是,在具有密度纹波的非均匀等离子体中,当密度纹波的波幅小于某一临界值时,激光脉冲的强度几乎不变,激光脉冲在非均匀等离子体中的传播特性与均匀等离子体中的传播特性基本保持一致。然而,当密度纹波的波幅大于临界值时,等离子体的非均匀性对激光特性有明显的影响,激光脉冲的强度和空间分布会受到等离子体密度纹波的调制。第4章对本文的工作进行总结以及展望该领域的研究前景。