同步辐射光源和粒子对撞的研究都需要粒子加速器提供的相对论性粒子束。粒子加速器的最基本原理是利用电磁场来提升粒子束的能量。近年来，粒子加速器的许多应用，比如说材料表面处理、医疗诊断、癌症治疗、食品消毒和包括生物、化学、材料科学、粒子和核物理在内的科学研究，对于科学技术进步来说不可或缺。激光等离子体加速器为下一代紧凑经济型加速器的实现提供了可能。超强脉冲激光驱动的等离子体尾波内可维持的电场加速场可达100GV/m量级，比传统加速器大三个量级。通过这个强电场，激光等离子体加速器在理论上可以在远小于传统加速器的距离之内实现预期的粒子能量增益。这为其成为新一代紧凑型加速器提供了可能。基于等离子体的加速器在过去几十年发展迅速，在实验上使用激光尾波场加速方案可产生准单能的极端相对论性电子束并且可以在厘米量级的加速长度内得到GeV量级的高能电子束输出。此外，在激光尾波场电子加速器中加速的电子可以产生较亮的电磁辐射，且输出的电子也能用于波荡器产生强X射线。由此不仅可在小面积的实验室内实现强的X射线输出，而且可应用与于医院、工业和学院范围的光子学研究。因此，激光尾波场电子加速器的发展和进步不仅对基础科学的研究有重要意义，在实际应用中也前景巨大，是非常值得深入研究讨论的课题方向。虽然激光尾波场电子加速近年来发展迅速，但相比于传统射频加速器来说，电子束的一些输出参数还是有所不如，比如说电子束能散和发射度。　　本研究主要内容包括：⑴提出了一种通过密度下降沿控制电子束在激光驱动尾波第二周期内注入的新机制。通过一个等离子体密度下降沿控制激光驱动尾波第二周期的电子束注入，可以得到高质量低能量的高质量纵向注入电子束，且其能在较高密度等离子体内获得一定加速。为使该预加速电子束进入第一尾波周期的加速相位进行进一步加速，采用级联电子加速方案通过第二个密度下降沿来改变电子束的相位，随后为等离子体平坦区域使电子束得到稳定加速。二维PIC模拟结果表明这种方案可以在12 mm长密度为9×1017 cm-3的等离子体内得到峰值能量约为1.2 GeV的单能高质量电子束输出，所需脉冲光功率约为77 TW。进一步将加速级优化为多段密度上升的台阶式等离子体段，可以实现电子束的准稳相加速，通过这个方案电子束的峰值能量可以得到50％的提升。⑵提出了一种减小级联电子加速得到电子束能散的新机制，通过引入一段密度适当的等离子体可以对注入电子束的纵向空间分布进行压缩，从而实现能散为千分之一量级的电子束输出。在这个机制下，三段等离子体分别设计为可实现电子束注入、电子束长度压缩和电子束加速。在注入段捕获注入的电子束在压缩级转移到尾场周期的零相位区域，由于电子束团的速度聚束效应，电子束团的纵向尺寸得到极大压缩。之后电子束团进入加速段，相比于未压缩电子束团，由于电子束团纵向长度得到了极大压缩，该电子束可以在能量空间啁啾分布得到补偿之前加速到更高能量。为了验证这个机制，我们建立了一维理论模型并进行了二维PIC模拟，模拟结果表明在该机制下得到了能散度0.2％且发射度极小的高质量电子束团，同时电子束团电量也不会发生损失。⑶提出了一种诊断激光等离子体加速产生超短电子束的纵向长度的新方法。在激光尾场电子加速的加速过程中，由于纵向尾场梯度差的存在，激光驱动等离子体波内的电子束团的能散是演化的。且其能散的演化和电子束团纵向长度及所处尾场斜率密切相关。这个方法的基本思路如下:首先，由经历不同加速长度的电子束团能谱，可得到电子束团能散的变化和及其作用加速场的估计值;然后，由于激光尾场电子加速存在的失相效应，电子束团会相对等离子体波向前滑移，因此，电子束团所处尾场斜率可由加速场的变化除以滑移距离得到。然后就能得到电子束团的纵向长度。由于所需的参数都能从电子束能谱得到，激光尾场电子加速器得到电子束纵向宽度可以被测量。这个方法适用于稳定的激光尾场加速器，且目标电子束团可依据电量进行区分。为了研究被加速电子束团的动力学并估算其束长，进行了实验和三维模拟，并讨论了该方法的实验和理论误差。同时在实验上运用自注入激光尾波场级联加速方案获得了高质量的电子束产生，二维PIC模拟揭示了该机制下电子束团加速的物理过程。⑷提出了一种适用于飞秒量级激光脉冲延时同步监控方法，此方法的两束飞秒脉冲光由同源飞秒脉冲分束而成。通过对两束同源脉冲光进行频谱干涉，由干涉条纹的条纹间距可对两束脉冲光之间的延时进行诊断。这个方法可有效解决飞秒脉冲间的时间抖动问题，同时运用此方法控制测量并监控两同源飞秒脉冲间的延时，可以在激光尾波场电子加速运用于自由电子激光实验中实现在飞秒(fs）精度内控制注入种子脉冲与电子束之间的延时。