随着超强激光脉冲的快速发展,对激光强度提出了更高的要求。本文采用粒子模拟方法对如何进一步提高激光强度,加强超强激光脉冲的应用进行了相关研究。主要工作包括以下三个部分:微管中拉盖尔高斯涡旋光束的传播;锥形入口微管阵列对激光脉冲的增强研究;激光氧离子加速研究;本文主要研究结果如下:第一,分析了相对论拉盖尔高斯涡旋光束在微管中的传播特性。当激光传播进入微管中,在管内产生了更强的相对论非线性聚焦效应,这有效地提高了涡旋光束的光强,并且管内的光束仍然具有涡旋光独特的螺旋相位结构。同时,我们模拟了不同初始激光强度对管内激光聚焦的影响,进一步研究还发现通过改变微管半径,可以有效地控制涡旋光束在微管中的传播特性,包括最大光强的位置、光束的焦斑半径以及光强的放大倍数,在最佳微管半径条件下,管内光强可以增强约4.5倍。第二,研究微管阵列的锥型入口增强相对论激光脉冲的强度。在微管增强激光脉冲的相关研究中,发现入口处的垂直入口导致了激光严重反射,而使用锥形微管能够有效减少入口处的反射光,降低激光的反射损耗,从而使激光在管内的峰值光强进一步增加。当激光离轴入射时,适当的离轴偏移量使管内峰值光强进一步增加,此时出现了比激光正轴入射时更强的非线性聚焦效应。当离轴位移过大时,激光无法进入单一锥形微管,因此我们设计了一个锥管阵列,使激光始终有机会进入其中一个管内,并且发现激光脉冲在同等离轴条件下,使用锥管阵列比单个锥形微管对光强放大的效果更好。即使激光入射到锥管阵列相邻结构的锥尖上,也会在两个相邻管内产生两束增强的激光脉冲,因此锥管阵列能够有效减小光束指向抖动影响。第三,在近临界密度等离子体中,超强激光脉冲产生的电子空泡结构能够有效地加速氧离子,被加速后的氧离子能量达到Gev,同时还分析了加速过程中激光电场的演化情况,并且通过一维解析模型描述了空泡中氧离子的加速过程。进一步研究表明,氚离子作为背景等离子体对氧离子的加速有很大影响,当氚离子为等离子体主要组成部分时,氧离子在空泡结构中获得更有效的加速。