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X射线激光，具有波长短(0.01～30nm)、单色、瞬间亮度高、脉冲持续时间短、相干性好以及方向性强等特点，使得其在科学、技术、生物和医学都有广泛的应用前景。研制短波长、高效率、相干性好、高亮度的，制造和运转费用低的、小型的、可变脉宽、在一定范围内波长可调的、高重复频率的X射线激光器是研究工作的努力方向。
本文的主要工作着眼于研究激光泵浦等离子体产生的X射线激光，具体内容如下：
第一、二章主要介绍与激光泵浦等离子体产生X射线激光有关的研究背景、物理概念、产生机制、理论基础等。X射线激光数值模拟的理论基础包括：原子数据计算；激光等离子体状态的流体力学模拟；实现粒子数反转的泵浦方案、等离子体条件和X射线激光增益计算；X射线激光的放大输出。通过这些理论分析和模拟，有助于理解产生高增益的X射线激光所需要的等离子体条件，从而找到优化的泵浦方案，包括泵浦激光脉冲结构等。
第三章主要讨论了掠入射泵浦方案下的电子碰撞激发外壳层软X射线激光。我们修改了一维流体力学程序Med103程序，配合原子数据计算程序以及二维光迹追踪程序，对掠入射泵浦的激光等离子体X射线激光进行了模拟研究，我们获得了与类氖钛X射线激光实验相同的结果。采用双脉冲泵浦方案，本文优化了掠入射泵浦类氖钛波长32.6nmX射线激光的泵浦结构，包括泵浦激光强度、脉宽、入射角度等条件。利用二维光迹追踪程序，详细分析了不同的泵浦条件对出射X射线光束质量的影响，提出增加泵浦能量可以提高出射X射线激光光束质量。
在第四章，我们结合软X射线激光研究历史，提出了新的密度调制泵浦机制。这种机制结合了掠入射泵浦机制和多脉冲泵浦结构的优点：首先由一个垂直正入射的300ps预脉冲产生初始等离子体，间隔一定的时间约5ns后第二个300ps脉冲掠入射到等离子体中调制等离子体密度和产生丰富类氖(或类镍)离子，经过一定的延迟时间，主脉冲以相同角度掠入射到等离子体中，泵浦离子产生X射线激光。通过调节泵浦激光波长、脉冲宽度、入射时间、入射激光角度等，可以在预期的介质增益区有效地产生丰富的类氖或类镍离子，且增益区中等离子体密度梯度被调制得很小。而且由于掠入射300ps激光脉冲的调制作用，在增益区的等离子体电子密度中产生了一个宽度20微米的电子密度低谷分布，可以被用于主脉冲泵浦和产生X射线激光的通道，从而提高了主脉冲的泵浦效率和X射线激光的有效放大。通过二维和三维光迹追踪程序对光束近场和远场质量的进行了研究。结果表明，产生达到饱和的类氖钛X射线激光所需泵浦激光能量小于100mJ，泵浦效率很高，且出射X射线激光发散角小于4mrad，即具有很好的空间相干性(光束质量)。
第五章主要讨论了利用自由电子激光光电离泵浦内壳层X射线激光的方案。我们研究了内壳层X射线激光的原理和研究历史，分析了可能的泵浦机制、靶材料的选取、原子内壳层跃迁物理过程等实现内壳层X射线激光的关键问题。在对内壳层X射线激光系统调研的基础上，笔者利用已有的原子程序并自行编写程序模拟内壳层原子过程，尝试建立了自由电子激光器DESY/XFEL光电离泵浦内壳层X射线激光的模型。利用此模型，笔者分析了利用已经建成的DESY/XFEL为泵浦源，光电离泵浦C/Ca内壳层X射线激光增益所需要的条件。研究了泵浦脉冲强度、宽度对增益系数的影响。我们研究发现，泵浦源XFEL输出脉冲，时域上包含复杂的、混乱无序的时间结构尖峰结构；频域上频谱宽度较宽，约为1％。而泵浦产生的内壳层X射线激光具有比泵浦源XFEL更好的单色性、时间相干性。从而创新地提出并证明了可以通过泵浦转化，在XFEL上实现单个、相干的飞秒X射线脉冲的输出。
第六章初步研究了等离子体X射线谱学。在这一章中，利用等离子体X射线吸收谱技术，研究了腔体Plankian X射线辐射场加热的SiO2等离子体特性随时间的演化规律。
第七章对本论文的主要研究工作进行了总结。