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激光与物质的相互作用是高能物理的重要的分支，在受控核聚变，天体物理等领域，有广泛的应用。上世纪80年代，激光与等离子体相互作用被引入到加速器领域。激光加速器具有体积小、造价低的优势，其应用涉及癌症治疗，新型辐射源以及辐射成像技术等领域。随着强激光技术的逐渐成熟，这一领域步入飞速发展的阶段。目前，激光电子加速已经取得了GeV的高能电子，并且在束流品质控制方面趋于成熟。另一方面，激光离子加速的研究还存在很大的提升空间，束流品质难以有效控制。本文研究相对论激光与物质相互作用，以高性能计算为工具，围绕临界密度等离子体对激光离子加速的影响展开，重点在于加速离子能量提高以及束流品质改善，并针对其应用进行讨论。论文主要包括如下部分，激光加速简介，PIC(Particle-In-Cell)粒子模拟方法简介，相对论激光与金属铝靶相互作用实验，预等离子体对于离子加速的增强作用，强电流在等离子体界面处的成丝不稳定性。 第一部对激光加速做了整体性回顾，介绍了激光加速的提出以及发展历程。首先是激光在等离子体中几种重要的吸收方式:逆轫致辐射吸收，共振吸收，真空加热，JxB加热。而后是激光等离子体相互作用在加速器领域的应用，激光电子和离子加速的理论以及实验的发展。着重介绍了激光离子加速中重要的加速机制:鞘层加速机制，冲击波加速，光压加速机制。同时从实验角度出发，考虑了预脉冲对于离子加速的影响。 第二部分对于计算机模拟方法PIC简单介绍。作为实验工作的前瞻性指导以及重要的补充，PIC模拟在激光等离子体相互作用的研究中具有重要的意义。PIC是本文的重要的研究工具，文中介绍了PIC算法中主要的模型和算法，宏粒子模型，电磁场计算中使用的有限时域差分方法，粒子运动的半加速旋转方法，以及电流的求解方法。 第三部分介绍相对论飞秒激光与金属固体靶作用的离子加速实验。实验研究了金属铝靶的厚度与输出离子束流品质的关系。其总体趋势是，在一定范围内，随着靶厚度的减小，离子最高能量呈增长趋势。然而，当靶厚小于两个微米的时候，高能离子束流的方向发生偏转，且沿激光方向的离子束流存在类单能的特征。理论分析表明，激光主脉冲之前的预脉冲对于金属靶产生烧蚀作用，在前表面生成预等离子体并使靶后变形。薄靶情况下靶密度分布存在明显的变化，影响电子加热以及加速电场的强度分布，从而对于离子加速能产生重要影响。 第四部分提出了用临界密度等离子体增强激光离子加速的方法。使用中等强度(光强1011-1013W/cm2)激光对金属靶进行烧蚀，在金属靶前端产生临界密度等离子体。利用激光与临界密度等离子体的强能量耦合，产生高能量密度电子并实现对于离子加速的增强作用。当预等离子体密度分布与主激光参数匹配时，加速离子的能量最高，并且离子束流能散与发散度得到改善。因此，可以控制烧蚀脉冲参数以满足预等离子体与主激光的匹配关系，从而优化离子束流品质。 第五部分讨论了强激光产生的相对论电子束流在等离子体界面产生的成丝不稳定性以及其对于离子加速的影响。强激光与临界密度等离子体作用过程中产生强相对论电子束流，束流传输过程中会产生不稳定性。当束流达到等离子体与真空分界面的时候，束流中出现强扰动，使得横向成丝不稳定性的增长率急剧提高。这种成丝不稳定性受碰撞效应的影响较小，对于激光与等离子体的能量耦合以及加速质子的分布有着重要的影响。