超强激光脉冲与相对论电子束相互对撞是当前主要的强场量子电动力学（QED）实验手段。如何测量超强激光脉冲和电子束对撞的准确度，进而实现微米精度的准确对撞，是目前限制实验发展的重要因素。利用蒙特卡罗数值模拟方法，系统研究了超强激光脉冲和相对论电子束相互对撞过程，重点关注了电子和辐射光子动力学信息与激光脉冲和电子束对撞偏移量之间的对应关系。研究发现：辐射光子的空间分布信息，可以有效反映出激光脉冲和电子束的对撞偏移量。基于该研究结果，实验中可利用光子空间分布的信息，实现对激光脉冲和电子束对撞准确度的调节，从而有望促进强场QED实验技术的发展。

极端超短超强激光脉冲的诞生将光与物质的相互作用推进到由辐射阻尼效应和量子电动力学（QED）效应占主导的高度非线性物理范畴。强场QED效应蕴含了丰富的物理过程包括辐射阻尼、高能伽马辐射、正负电子对产生、QED级联、真空极化等，是高能量密度物理和强场物理研究领域的前沿热点。QED级联是解释致密天体辐射和伽马射线暴形成的重要物理机制，其产生的稠密正电子源在高能物理、材料无损探测、癌症诊断等领域亦有重要的应用前景。介绍了QED级联过程及其理论模型，讨论了固体靶中的QED级联发展及其诱导的非线性物理效应，并回顾了固体靶中稠密正电子产生的主要研究成果。

强光子辐射导致的自旋极化等离子体是强激光与物质相互作用领域兴起的新研究方向。基于等离子体的自旋极化粒子束在固态材料诊断、原子核结构探测、弱电相互作用分析等方面具有广泛应用。同时，自旋作为电子的固有属性，它可为描述等离子体的行为状态提供新的信息自由度，因此自旋极化信号在强场等离子体自诊断也具有潜在应用。概述了在超强相对论等离子体中，由伽马光子辐射伴随的自旋翻转产生的自旋极化等离子体的物理机制，并对其在超高能量密度等离子体瞬态动力学反演的可能进行了介绍。

超快超强激光可以在实验室创造出超快时间、超强电场、超强磁场、超高温度及超高压力等多种极端物理实验条件，是当前拓展人类对物质世界认知最强有力的工具之一。在超快超强激光的发展过程中，飞秒四波混频过程在多个方面都发挥着非常重要的作用。本文介绍了飞秒四波混频过程在超快超强激光中近年来的一些进展和应用，系统总结了近年来利用级联四波混频、自衍射效应、瞬态光栅效应、四波光参量放大，以及交叉偏振波产生等飞秒四波混频过程，在宽带高对比度种子激光产生，新颖同心多色涡旋/径向偏振飞秒超快光源构建，“四阶相关仪”等脉冲对比度单发测量仪研制，以及脉冲形状宽度单发测量仪研制等方面的成果与进展。未来，飞秒四波混频过程还可拓展到太赫兹和极紫外等波段，继续为超快超强激光技术的发展做出重要贡献。

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。

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。

激光离子加速是近年来激光等离子体领域兴起的研究热点之一。激光产生的高能离子束具有高亮度、小尺寸、脉宽窄和方向性好等特点，具有很多潜在的应用。概述了几种常见的激光离子加速物理机制，对一系列激光离子加速实验进展进行了归纳总结，最后介绍了几种激光驱动离子束的潜在应用。

本文从理论上研究了在双色频率梳激光场驱动下多光子谐波辐射光谱中的相位突变现象。我们利用Floquet理论非微扰地模拟了频率梳激光场与原子分子等量子系统的相互作用过程。谐波辐射信号是多光子偶极跃迁相干叠加的结果，通过调节频率梳激光场间的相对相位，可以相干地控制谐波辐射信号的强度。通过对谐波信号进行傅里叶变换，可以提取不同跃迁路径的相对相位信息。我们通过改变频率梳组激光场的强度和频率组分实现多光子跃迁频率，让其跨越共振跃迁频率时，谐波相位会发生突变。从而可以观测超强激光场驱动下量子系统共振跃迁频率的斯塔克能移。