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为了实现激光驱动的微型加速器,我们需要克服在微米量级上变得显著的量子效应,以及强场下光与物质的相互作用过程。为了研究这些问题,我们参考了自由电子激光器中电子从经典行为到量子行为的转变过程,同时借鉴了激光诱导的近场电子显微镜中对于强场的处理。自由电子激光器(Free electron laser)是一种利用相对论性电子在周期性变化的磁场中运动,受到洛伦兹力作用发生周期性震荡产生同步辐射的器件。目前实验上的FEL完全可以用全经典的理论来描述电子的动力学行为,电子被处理为在磁场中运动的带电(-e)点粒子。而从康普顿散射的角度来看,如果相互作用中电子的量子反冲(quantum recoil q)足够大,且电子的动量分布宽度△P足够小时,电子的动量能够产生可观测的“量子化”分布,我们需要用量子力学来描述电子的行为,该情况下被称为量子自由电子激光器(quantum FEL)。当激光照射到纳米材料表面时,可以激发出局域在材料表面的强场,被称为近场。当电子与近场光发生耦合时,电子能够吸收/放出多个光量子,与量子自由电子激光器类似,产生“量子化”的动量/能量边带分布,这种现象是激光诱导的近场电子显微镜(Photon-induced near-field electron microscopy,简称PINEM)的显著特征,称为PINEM效应。为了能够统一的解释电子的波粒二象性问题,我们从量子力学的角度出发将电子作为波包处理,认为粒子性和波动性均为电子在相互作用过程中中的表现,将相互作用过程作为一种测量手段。我们借助inverse Smith-Purcell效应的模型,让电子与光栅上激发的近场发生相互作用,通过调节入射光的波长、光栅的结构周期以及电子初始波包的大小和相位,系统地研究了单电子波函数在光学近场作用下的量子调控和聚束效应,并且得到了激光加速器中电子的经典粒子行为(如介质激光加速器)以及超快透射电子显微镜中的量子波动行为(如PINEM效应)。通过理论计算和数值模拟结合分析,我们将电子波包尺寸与近场光的波长的比例定义为“衰减系数”(Γ(L)=2πσz(L)/βλ),用来衡量电子与近场耦合中表现出的点粒子行为和波动行为。通过调控衰减系数的大小,即改变电子波包的尺寸或近场光的波长,与近场光相互作用的电子能够实现从粒子到波的转变,从而具体地刻画出自由电子波函数在光和物质相互作用的过程中的波粒二象性。我们研究了电子初始波包的啁啾相位对于末态电子的影响,结合衰减系数,将电子与近场耦合的模式区分为三种典型行为:经典的点粒子加速、量子的PINEM效应以及介于经典和量子条件之间的“非常规”动量/能量边带。对比PINEM效应,我们将最后一种情况命名为反常PINEM效应(anomalous PINEM,简称APINEM)。另一方面,我们利用Crank-Nicholson方法数值地计算相互作用过程中电子波函数的演化过程,并将电子态投影到相空间中得到了波包的Wigner分布,从而获得了相空间中电子的两种基本特征:即,波包的量子形变,和动量/能谱边带之间的量子干涉条纹。借助相空间中涌现出的电子波函数的量子形变和干涉条纹,我们将APINEM效应理解为经典的加速和量子的PINEM效应之间的一种“过渡”行为,因此从电子波包的角度能够将近场作用下粒子的经典线性加速和量子PINEM效应进行统一的解释。同时根据相空间中的波包演化特征,我们进一步研究了自由传播带来的啁啾效应而导致的单粒子聚束,单粒子反聚束以及周期性聚束的行为。在周期性聚束中我们得到了阿秒级(10-18s)宽度的单个聚束,这样的结果对于提高电子相干性从而实现高分辨率的电子成像以及研究电子发光具有重要的意义。因此,在波粒二象性的图像下,我们研究了强场环境中的电子加速和电子量子相干调控的问题,提出了衰减系数Γ(L)的概念来刻画电子从粒子性到波动性的转变,在相空间中具体分析了电子与近场耦合过程中的量子形变与干涉条纹。借助量子干涉的概念,将电子与近场相互作用的三种典型图像自洽的联系在一起,将经典的加速行为理解为量子力学系统中自然涌现出的结果。