超短超强脉冲激光是目前世界上在实验室内产生超高能量密度、超强电磁场和超快时间尺度的综合性极端物理条件的重要手段。在对超短超强脉冲激光发展现状和趋势分析的基础上，针对高能量密度物理等前沿基础科学实验研究多样化的需求，提出研制不同脉冲宽度、三种脉冲激光（两束输出功率为10 PW的飞秒激光、单束输出功率为1 PW@1 Hz的飞秒激光、单束千焦耳皮秒激光和单束万焦耳纳秒激光）协同输出至4个物理实验站形成不同工作模式，实现多种加载-诊断物理实验功能的星光超强激光装置（XG-ELF）的设想。对XG-ELF装置的物理实验设想和主要设计结果进行介绍。建成后的XG-ELF装置将为我国高能量密度物理前沿基础领域中的研究提供先进的研究平台。

真空激光加速机制具有加速场梯度大、加速电子电量高的优点，目前制约真空加速机制研究发展的主要问题是如何产生具有一定初速度的电子并将其注入加速场。提出了一种利用强激光与锥型靶相互作用产生高能电子并实现真空加速的新方法，利用二维PIC(Particle-in-cell)粒子模拟程序对这一方法进行了研究。模拟结果显示，对于光强为1021 W/cm2量级的高斯激光脉冲，产生了能量为GeV量级、发散角约为1°的强流快电子束。此外还通过理论解析和参数模拟研究了靶半径对这种超热电子加速机制的影响。

靶室腔体谐振产生的电磁辐射是超短超强激光与靶相互作用实验中生成的电磁脉冲(EMP)来源之一。基于有限元分析方法，对靶室腔谐振产生电磁脉冲和电磁脉冲通过窗口向外传播这两个过程进行仿真模拟。前者模拟获得空腔和含结构模型谐振时特征磁场，结果显示内部结构对电磁场强度分布和谐振频率有显著影响；后者模拟结果显示，窗口外侧电场强度比窗口内侧高约40％，而且电磁脉冲传播到靶室外后呈球面波形式扩散并衰减。对电磁脉冲的强度衰减规律进行了分析，得到该衰减曲线的拟合函数。

针对当前大部分超短超强激光实验中真空光路调控效率低、操作方式繁琐等缺点，设计了一种基于LabVIEW软件开发平台的集成化实验光路调节系统来实现对光路高效便捷的调控。该系统由光斑位置采集单元、光斑位置调节单元和计算机等三部分构成，其设计思路是利用激光光斑映射在CCD上的空间位置，实现光路指向定位的反馈，根据反馈信息设计人机交互界面实现光路指向的调控。该系统成功实现多线程并行运行，并将不同型号不同通讯方式的多个位移台控制器集成于同一界面控制。实验证明，与常用的手动调节系统相比，该系统对实验光路的调控更方便快捷，调节效率更高。

给出了单轴晶体ooe,oeo,eoo,eeo,eoe,oee 6 种相位匹配方式相位匹配角的解析公式。其中ooe,oeo,eoo 3 种可以计算共线及非共线情况，eeo, eoe, oee 3 种只能计算共线情况，非共线情况需数值求解，给出了数值求解的方法步骤。研究了双轴晶体折射率在主平面时与单轴晶体折射率的对应关系，利用该对应关系，通过替换折射率的方式求解双轴晶体的相位匹配角度。给出了常见晶体的非共线相位匹配角度图，以供科研人员参考。

为了研究正弦三角激光脉冲和低密度的等离子体相互作用时加速正电子的运动, 采用数值模拟方法进行了数值计算, 得到了被加速正电子的动能。结果表明, 由于正弦三角激光脉冲激发产生的Raman散射原因, 使得被尾场捕获的正电子数增多及相应的初速度增大; 非对称正弦三角脉冲的前沿比对称正弦三角脉冲更陡, 具有更强的有质动力势, 能够产生更强的尾场, 因此非对称正弦三角激光脉冲比对称激光脉冲驱动尾场中正电子的能量高。该研究结果说明,非对称正弦三角激光脉冲能够有效地提高正电子的加速效果。

超短超强激光打靶产生的超热电子与固体靶相互作用时会产生轫致辐射X射线。利用蒙特卡罗方法，对电子在固体靶中传输产生的轫致辐射X射线进行了模拟。1 MeV电子束与固体靶作用产生的轫致辐射谱模拟结果表明，轫致辐射谱高能段斜率受靶厚度及靶材料的影响不明显。麦克斯韦分布的电子束及单能电子束与30 μm铜靶作用的模拟结果显示，两种电子源产生的轫致辐射谱在电子束能量或温度较高时基本一致。给出了一种利用轫致辐射谱斜率反推超热电子温度的定标方法。模拟了不同温度下超热电子产生的轫致辐射光子的能量角分布及光子数角分布，结果显示辐射光子能量通量和光子数随着电子温度的提高越来越向前倾，并给出了另外一种由轫致辐射能量角分布反推超热电子温度的定标关系。

为了研究在激光驱动的等离子体尾场中被加速电子的动力学, 采用数值模拟方法得到了非对称脉冲驱动的尾波场中被加速的电子的运动相图、密度分布及势能。结果表明, 非对称激光脉冲驱动尾场中电子得到很高的能量。在非对称激光脉冲驱动的激光尾场中, 为了有效地加速电子, 要选择恰当的上升激光脉冲长度和下降激光脉冲长度。

通过理论分析，建立了超短超强激光与固体靶作用产生正电子的蒙特卡罗模拟模型及Geant4模拟程序。模拟研究了靶材料、靶厚度及超热电子温度等对正电子产额的影响，结果表明：对铝、铜、锡、钽、金、铅6种靶材料，金靶的正电子产额最高，是优秀的正电子产生靶；不同超热电子温度下存在不同的最佳靶厚度，在最佳靶厚度以下，正电子产额随靶厚度增长而增大，靶厚度取3 mm较为合适；超热电子温度越高，正电子产额也越高，提高激光强度是增加正电子产额的有效途径。模拟研究给出了正电子角分布及其能谱，结果显示，正电子发射明显前倾，从大于90°方向范围发射的正电子数量极少，且超热电子温度越高前倾特点越明显，能量呈类麦克斯韦分布，靶背法线方向出射的正电子的温度随超热电子温度升高而升高。

为了研究在激光驱动的尾场中被加速正电子的动能，采用数值模拟方法，得到了非对称sine脉冲、flat-top脉冲和Gaussian脉冲驱动的尾场中被加速的正电子的能量。结果表明,非对称sine脉冲驱动尾场中正电子得到的能量比flat-top脉冲和Gaussian脉冲驱动尾场中得到的能量高一些。