随着啁啾脉冲放大(CPA)和其他超快高功率激光技术的发展和应用，目前的激光装置已经可以提供(1)强度超过1020W/cm2、脉宽仅几十个飞秒、对比度高达10-10的超短超强激光脉冲以及(2)单脉冲能量高达数千焦耳、脉宽在纳秒量级、峰值功率高达1014-15W/cm2的脉冲。其中前者可以用于与不同密度的靶相互作用产生各种类型的高能粒子和电磁辐射，从而可以作为新型的粒子加速器和高强度辐射源。而后者除了应用于惯性约束核聚变的靶丸压缩过程外，近年来还用来对天体等离子体现象（如喷流等）开展实验室模拟。本论文围绕这些问题展开如下几方面的理论和数值模拟研究工作:(1)超短超强激光脉冲与固体密度等离子体相互作用的吸收和热电子产生特性;(2)基于超短超强激光脉冲与固体密度等离子体相互作用的粒子加速器和辐射源;(3)相对论束流与背景等离子体相互作用中的不稳定性产生和粒子加速过程。　　论文大体上可以分为四个部分。第一部分（第二章）介绍了论文工作中使用的程序和算法，这是本论文的基石。　　在第二部分中（第三、四章），探讨了超短超强激光脉冲与固体密度等离子体相互作用的吸收和热电子行为。这是激光与等离子体相互作用中非常基础的一个课题，也是其应用的基础。尽管从上世纪七八十年代开始，等离子体对强激光的吸收的各种机制已经被陆续提出，但这些机制何时起到主导作用这个问题一直没有得到很好的回答。此外，很多不同的实验中提出了多种相互矛盾的热电子温度定标率，这也造成了相当的困惑。在第三章中，我们通过数值模拟对宽强度范围(1014-1020W/cm2)内固体密度等离子体对激光的吸收做了系统的研究，给出了各个吸收机制主导吸收过程的条件，并理清了各种热电子温度定标率与吸收机制之间的对应关系。同时在第四章中，我们与印度的Tata基础物理研究所合作，从实验和数值模拟两方面，对强激光与固体靶相互作用中的表面电子输运导致的表面电离的机制进行了探讨。确认了表面电离过程并不局限在激光焦斑位置，并证实了自生电磁场导致的超热电子的E×B漂移是这种非局域性的来源。　　第三部分（第五、六章）探讨了基于超短超强激光脉冲与固体密度等离子体相互作用的粒子加速和辐射问题——基于掺杂靶的质子加速器和固体靶太赫兹辐射源。在第五章中，系统地研究了激光与固体掺杂靶相互作用时靶后鞘层场的演化情况，并据此提出了一种利用激光与掺杂靶相互作用产生准单能质子束的方案并进行了数值模拟验证。第六章中，与本组同事合作，从实验和数值模拟两方面确证了共振吸收对固体靶太赫兹辐射源的增强作用。　　第四部分（第七、八章）研究了束流与背景等离子体相互作用中的不稳定性产生和粒子加速过程。这些过程是很多天体物理模型中的基础，同时对激光驱动快点火核聚变方案中相关物理过程的理解也有重要意义。其中第七章采用数值求解完全动理学框架下相对论等离子体中的色散方程的方式，对电子束流相对离子背景运动时产生的不稳定性——通称Buneman不稳定性的色散关系进行了求解，并使用1维的Vlasov模拟对其进行了验证。第八章则模拟研究了高能正负电子束流与背景的离子-电子等离子体的相互作用中对背景等离子体离子的加速过程。模拟中我们发现对背景等离子体离子加速过程可以分为两阶段:在第一阶段，主要的加速机制是Ⅱ型Fermi加速机制以及从入射束流通过电磁场的直接动量转移。被加速的离子呈现全局的反幂指数能谱。随着相互作用时间的增加，无碰撞冲击波结构逐步地在背景等离子体中形成从而加速过程转到第二阶段。这个冲击波进一步加速背景等离子体中的离子到更高的能量。此阶段的质子能谱表现出分段的反幂指数特性并具有“knee”类似的结构。这个过程是很多天体等离子体模型—如中子星风、Gamma爆的“火球(Fireball)”模型等—的基础过程。我们的结果对这些模型的完善，以及对天体物理中一个长期悬而未决的重要基础问题“具有反幂指数能谱的高能宇宙射线的起源”的回答具有一定的意义。