超强激光加速产生的高能质子束源在基础物理研究、材料科学、生物医疗等领域具有广泛应用前景。基于激光聚变研究中心的SILEX-II装置，开展了高对比度飞秒激光驱动纳米刷靶质子加速实验研究。采用等离子体镜技术进一步提升激光对比度，有效降低了预脉冲对纳米刷靶结构的影响。相比于平面靶，采用纳米刷靶质子截止能量提高到1.5倍，质子束产额增加近一个量级，成功验证了超高功率密度下纳米刷靶对激光离子加速的增强效果，并且有效提升了质子束空间分布的均匀性。研究结果为高品质质子束源的产生和应用提供了技术途径。

间接驱动惯性约束聚变真空或者近真空黑腔实验中，纳秒激光烧蚀产生的腔壁等离子体可以在靶丸烧蚀等离子体（或低密度填充气体）中驱动无碰撞静电冲击波，冲击波电场会以二倍冲击波速度反射离子。为了测量纳秒激光驱动非相对论无碰撞静电冲击波产生的10 keV量级的反射离子能谱，设计了低能汤姆逊离子谱仪。利用Geant4建模，对离子测量过程进行了全过程蒙特卡罗模拟，用以评估靶室残余气体和喷气气体对低能离子测量的影响。模拟结果显示，靶室残余气体会造成10 keV量级D离子信号在谱仪电场和磁场方向展宽。电场方向的展宽会增加不同荷质比离子谱线发生交叠的风险，而磁场方向的展宽会导致离子能谱展宽。喷气气体会造成离子信号向低能区移动并拖尾，导致测量的离子谱偏离真实的反射离子能谱。

为了在百kJ高功率激光装置上建立D³He质子照相平台，采用一维辐射流体程序Helios-CR对D³He爆推靶质子产生进行了模拟，综合考虑多种因素给出在百千焦高功率激光装置上开展质子照相所需要的激光和靶球建议参数。结合激光装置现有条件，分析了在10¹⁵ W/cm²左右激光强度下D³He质子产额随靶球半径、激光强度、充气压力和SiO₂球壳厚度等参数的变化规律，给出了靶球半径300 μm，内充D³He气体压强1.8 MPa，SiO₂球壳厚度3.5 μm左右等优化参数，预计此条件下D³He质子产额可达10⁹～10¹⁰。通过模拟得到的质子产额变化规律，为质子照相平台的正式建立和实验参数选取提供了参考。

为实现惯性约束聚变（ICF）内爆燃烧停滞阶段过程中最大压缩时刻的冷燃料面密度分布测量，设计了包含字母客体与针孔阵列的照相客体，通过同一发相同视角测量源分布与客体照相技术，首次建立了皮秒激光驱动的高能X射线源编码照相技术。通过星光III实验研究，基于W丝阵靶照相的反演图像空间分辨率5.4 μm±0.7 μm；激光到X射线（50～200 keV）的能量转换效率，W丝阵靶5.4×10⁻⁴，与传统Au单丝靶的转换效率（4.8×10⁻⁴）一致。基于源编码照相解决了传统皮秒激光背光照相中空间分辨率与光源亮度不能兼顾的困难，为强背景干扰下提供高信噪比、高分辨率的ICF靶丸压缩背光图像提供了重要照相方式。

采用紧聚焦的超强短脉冲激光与固体通道靶相互作用是获得大电量、高准直相对论电子束的一种有效方式。实验中由于激光预脉冲烧蚀靶壁产生预等离子体会膨胀、填充到真空通道中，从而导致电子束品质发生变化。采用二维PIC粒子模拟程序研究了通道靶中填充预等离子体的电子加速过程。模拟结果显示，在功率密度为5.0 $ \times {10}^{20}\;{\mathrm{W}/\mathrm{c}\mathrm{m}}^{2} $的超强短脉冲激光条件下，通道中填充一定密度的等离子体时激光场优先与低密度等离子体相互作用，激光脉冲与通道壁的相互作用减弱，电子加速机制由纵向场主导的真空电子加速转变为横向电场主导的等离子体电子加速，产生电子束具有更大的电荷量，但能量降低，发散角增大。

提出了一种基于混合像素探测器作为记录介质的用于激光聚变内爆D³He质子源能谱和产额测量的在线磁谱仪诊断系统。通过对探测器上特征团簇数目和能量的识别，结合诊断系统排布，可以快速获取激光聚变反应产生的D³He质子源的能谱和产额。在神光装置上对该诊断系统进行了测试。实验使用31束纳秒激光聚焦到靶丸上驱动聚变反应。靶丸内充有原子比1∶1的D₂和³He的混合气体。在线磁谱仪诊断系统测量到了中心能量在14.6 MeV、半高全宽为2.1 MeV、产额约(2.3±0.13)×10⁹的初级D³He质子能谱。该系统的建立可以实时给出D³He质子源能谱和产额信息，从而更加及时地指导实验的开展。

基于超短超强激光的短脉冲中子源是实现超快中子探测的理想中子源。如何提升中子产额是目前短脉冲激光中子源实现应用需求亟需解决的关键问题。提出基于靶背鞘场加速机制和束靶反应方案，采用LiD复合组分靶作为中子转换体，可以有效提升激光中子产额。与常规的LiF转换体相比，除了p-Li和d-Li两个反应道之外，LiD转换体可以多出p-D和d-D两个反应道，因此可充分利用激光加速的质子和氘离子的多反应通道优势来提升中子产生概率。实验结果表明，相比于LiF转换体，LiD转换体可带来中子产额2～3倍的提升，达到5.2×10⁸ n/sr的最高中子产额，并具备更好的前冲性。实验还区分了多反应通道的贡献，证明中子产额提升主要来自于p-D反应。

动理学效应的研究是近年来激光惯性约束聚变领域的研究热点，有助于理解实验结果和传统流体模拟之间的偏差。间接驱动黑腔中等离子体的温度、密度跨越多个量级且靶丸组分复杂，在局域的高温低密度区域，粒子的非平衡效应开始变得显著，可能会间接影响内爆性能。对ICF领域动理学效应的概念和部分进展做了简要综述。

在超强激光辐照电容线圈靶产生强磁场实验中，在约50 ps时，线圈电流达到20 kA以上。通过该实验结果与磁场产生理论模型对比，可得出该导线电阻值比常温直流电阻高出3个量级。对导线材料电阻率与趋肤效应的分析结果表明，该电阻值在量级上是合理的。获得超快脉冲强电流条件下的导线电阻值，有助于更深入理解线圈靶产生强磁场过程。

为了给快点火集成耦合效率的计算提供关键参数，并为后期高密度压缩奠定高能背光的诊断基础，在神光-Ⅱ升级装置上利用皮秒短脉冲激光驱动产生了X射线背光源，测量了成像分辨率、光通量，获得了短脉冲背光源的辐射特性，进一步成功演示了基于这种短脉冲背光照相技术的间接驱动快点火预压缩密度诊断。实验所得图像与模拟图像结构一致，实测压缩过程中的面密度达到50 mg/cm²。实验还发现了压缩不对称引起的流体不稳定性特征，为后续实验提供了改进方向。