随着超强超短激光的迅猛发展，小型台式激光器已经能够提供高重复频率超短脉宽超高功率的激光脉冲输出，为人类提供了前所未有的极端物理条件，开辟了强场激光物理的新纪元。超强超短激光驱动的粒子加速器，突破了传统射频加速器的加速电场极限，提供了超高加速梯度，极大的降低了加速器的规模和成本，将会在众多领域如癌症的质子治疗、自由电子激光、生物医学高分辨率成像、材料检测及高能粒子物理研究中得到广泛应用，并将带来显著的经济效益和社会效益。因此，超强超短激光驱动电子和质子加速不仅是强场激光物理领域的重要基础物理研究，有重大的科学意义，也具有重要的应用前景。　　 本论文利用本实验室研制成功的飞秒拍瓦(PW)级超强超短激光实验装置开展了飞秒百太瓦级激光驱动的尾波场电子加速的实验研究，并也进行了强激光与等离子体薄膜作用中的质子加速及脉冲整形的相关理论研究。本论文取得的主要创新性结果如下:　　 1.建立了飞秒百太瓦级激光驱动的尾波场电子加速的实验研究平台，包括电子能谱测量系统、后向散射光谱诊断系统、干涉法等离子体通道测量系统和激光聚焦光斑实时监测系统等。提出了一种针对采用荧光板的电子能谱仪电量响应标定的新方法。编制了电子能谱仪粒子追迹程序用于能谱仪参数的优化设计及谱仪的能谱分辨率、测量误差等的分析。改进了焦斑分析方法，为实验提供了更精确的激光焦斑及强度信息。　　 2.利用飞秒百太瓦级激光开展了自调制加速机制下不同长度气体喷流中的激光尾波场电子加速的实验研究。在1mm长度下，稳定产生了大电量(10nC)，温度约为2.5MeV的电子束。在1.5mm长度下获得了峰值能量为58MeV的准单能电子束。后向拉曼散射诊断显示出谱的展宽与电量正相关，揭示了电子的注入与后向拉曼散射不稳定性的关联性。设计了密度边沿陡峭的喷流气体池，在2mm长度条件下，获得了0.1GeV量级的高性能单能电子束，能散度为2％，电子束发散角3.8mrad。与九院合作，用电子束轰击Ti靶，产生了百KeV的超快高能X射线源，并成功用于不同结构固体靶的X射线成像研究。　　 3.在低等离子体密度(5-9×1018cm-3)条件下，利用氦氧混合气体开展了电离辅助注入的激光尾波场电子加速实验研究。通过调整激光强度和气体密度，实现了对电子束能量、能散度和电量的控制。在较低激光强度(7.9×1018Wcm-2)下获得了峰值能量为117MeV的准单能电子束。粒子模拟结果表明，这种激光和等离子体参数对电子束性能的影响来源于激光传输的自聚焦效应对初始参数的依赖。　　 4.首次利用全光学的超强超短激光驱动的尾波场级联电子加速方案，在实验中获得了近GeV的准单能电子束。本学位论文重点分析了采用电离注入的尾波场级联加速中的电子注入相、激光传输、焦斑匹配等问题，为级联尾波场电子加速实验提供了参数选择依据。设计了级联电子加速中的高能电子束的诊断系统，并对级联尾波场电子加速的实验数据进行了能谱分析。　　 5.解析地研究了超薄等离子体薄膜在超强超短激光作用下的动力学行为，给出了薄膜靶对激光脉冲的透射率表达式。提出了基于相对论感应透明即激光自触发超快响应等离子快门对激光进行整形和提高激光对比度的方案，该方案可以用于消除距离主脉冲很近的小脉冲，提高激光脉冲质量。　　 6.利用解析方法研究了双层薄膜靶在激光辐射压加速机制下的质子加速方案，并采用粒子模拟进行了验证。通过设计合适的双层结构等离子体薄膜靶，可以改善质子束尾部加速电场的均匀性，有利于获得单能性更好的高能质子束。