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随着激光技术的飞速发展,人们已获得聚焦强度1022W/cm2、单脉冲宽度小于10fs的相对论激光脉冲.超短超强激光脉冲与稀薄等离子体相互作用激发的多维尾场结构一空泡,电子总是在其根部附近通过波破自注入,这些都有利于获得高能量、低能散度和低发射度的高性能电子束.由于高能电子束在激光等离子体加速器、X射线激光源、高次谐波的产生、激光核聚变快点火以及医学肿瘤治疗等方面有着广泛的应用前景,因此利用超强超短脉冲激光与等离子体相互作用产生高性能电子束的研究,近年来也已成为强场物理中的一个研究热点. 本论文主要研究了强短激光脉冲与亚密等离子体相互作用中,空泡电子加速机制相关的两个方面内容:一是通过PIC数值模拟,提出了优化第一次电子注入的方案;二是考虑空泡内修正场和势,对电子运动轨迹进行了理论分析.具体总结如下: 1、提出了一种优化空泡加速机制中电子加速和注入的可选择性方案.在超强超短激光与亚密等离子体相互作用中,沿着激光传播的方向放置高密等离子体壁,其内半径在空泡的初始和最大半径之间.壁起到的作用是使空泡的尺寸在横向上得到控制以及在纵向上相应自洽地收缩,从而也使注入到空泡中的电子束几乎一直呆在空泡根部被准稳相加速.同时,在壁的内侧一些特定的位置附加不同形状的高密等离子体块,其基本思想是增加空泡横向边缘的密度,从而使尾场的相速度降低,因此电子更容易自注入,提高了第一次电子注入的数量.二维PIC数值模拟结果表明,高密等离子体小块有效地提高了空泡边缘的电子密度,对第一次电子注入和加速有重要的作用.最终得到大约含4.04×108μm-1个注入电子、准直性好、发散度低,加速到峰值为1.61GeV的高能电子束.事实上,通过跟踪和统计加速注入电子束的来源,我们发现,位于第一次电子注入附近的高密等离子体小块的贡献约为50％.同时,讨论了该方案在激光等离子体电子加速中的可能应用. 2、利用超强超短激光脉冲与亚密等离子体相互作用时,根据课题小组前期的理论和PIC数值模拟工作发现,由于空泡内部存在未被激光脉冲完全排开的剩余电子的电荷密度和电流密度,可以得到更合理的空泡内部场和形状的修正.现以该空泡修正场和形状为出发点,同时考虑了空泡前沿存在激光脉冲和不存在激光脉冲的两种情况,并通过理论推导和数值计算,分别研究了位于空泡不同位置处电子被捕获与加速的运动轨迹,包括空泡前沿、空泡横向边缘、以及空泡根部附近的电子.当空泡前沿存在激光脉冲时,从电子的运动轨迹来看,对空泡前沿位置处的电子影响较大,被捕获电子的范围要比空泡前沿不存在激光脉冲时范围小.这可能是由于激光脉冲的有质动力,将等离子体中的部分电子排开,从而未被捕获.另外,还分析了不同激光脉冲强度和脉宽对电子注入和捕获轨迹的影响.最后讨论了有助于得到高性能加速电子束的可能性.