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。

随着激光技术的不断发展，激光功率突破10 PW量级，激光与物质相互作用进入近量子电动力学（QED）范畴。从弱相对论激光到相对论激光再到强相对论激光，激光场与物质的耦合可以产生能量从keV到MeV甚至GeV的X/γ射线。这些辐射具有通量大、亮度高、能量高和脉宽短等特点，在核物理、高能量密度物理、天体物理等基础研究以及材料科学、成像、医学等领域具有广泛应用前景。系统梳理了近年来相对论强激光与气体、近临界密度等离子体及固体靶相互作用，通过诸如同步辐射、betatron和类betatron辐射、Thomson散射和非线性Compton散射过程等产生高能X/γ射线的最新研究进展，总结了各种方案产生的X/γ射线的品质因子和潜在应用，并为下一步基于强激光大科学装置的实验研究提供理论参考。

人类在实验室可实现的激光强度极限是强场量子电动力学（QED）的重要问题。在非理想真空条件下，极端超强激光与残留的电子相互作用触发伽马光子辐射与正负电子对产生的QED级联效应，从而显著消耗激光能量，大幅降低可实现的激光峰值强度。考虑到QED级联效应与激光偏振、焦斑尺寸、脉宽长度有着密切的关系，基于囊括QED过程的粒子网格模拟方法（Particle-in-cell, PIC）对上述参数的效应进行分析，同时构建了激光场演化的自洽方程来进行解释，二者结果基本保持一致，获得的强度极限在考虑的参数范围内为10²⁶～10²⁷ W/cm⁻²。结果表明，同等情形下，圆偏振激光可激发更强的QED级联，使得激光强度上限略低于线偏振。此外，紧聚焦激光由于QED级联发生的时空间尺度更小，从而激光的吸收效应被显著抑制，进而可以实现更强的聚焦强度。对于更长脉宽的激光，由于正负电子对吸收的能量区域更加弥散，使得可实现的激光强度上限阈值有所提升。但对于超短脉宽情形（如单周期），由于QED级联的种子源电子束不能很好地被约束在激光区域，理论分析耗散的激光能量偏高。此外，在高真空度的情形下，残余电子的随机性也会对可实现激光强度产生一定的影响。研究结果可为后续开展极端强场QED实验和数100 PW级超强超短激光装置建设提供指导。

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。