本研究论文初步探讨了通过针对性的设计人工电磁环境来实现经典电荷的加速的可行性。由于传统固态加速器受材料所限而只能以可控制的方式提供有限强度的加速电场，这使得从固态加速器获得高能物理及其他相关应用感兴趣的能量级的荷电粒子需要很大的尺寸。这就推动了对高效率加速的广泛深入的研究。除了继续研究对传统的固态加速器的改进，各种新型加速机制也引起了广泛关注。等离子体加速和激光真空加速是其中代表性的两种新机制。前者强调以超过固态材料耐受的强电场实现高效率加速并显著降低加速器尺寸。后者干脆不通过固态材料建立强电场，转而通过激光束的电场直接在真空中加速荷电粒子。两种新机制的可行性都已被大量的实验结果所证实，同时大量的相关理论研究也初步揭示它们的物理内容。既然被证明是可行的，下一步值得关注的就是如何发展它们。最直接了当的方法就是加大输入电磁刺激的强度已建立更强的加速电场。　　本文所关注的不是这方面。相反，我们所研究的是在不增加投入的前提下，如何实现更高的产出。即如何更经济的使用外加电场和磁场。本论文所包涵的创新成果和研究进展如下所述:　　1，提出并验证了基于交叉传播的两束激光的真空加速的新构型。利用传统的光学技术把一束激光分成沿垂直方向传播的两束，并引入位相差÷后再重新作一十字路口交会。这样的配置可以比一束激光配置更有效的加速荷电粒子。对于相同的总的激光能量，交叉束配置下的电子最大能量可以是单束配置下的最大能量的几十倍。对此现象我们给出了合理的物理解释。　　2，发展了关于上述工作所代表的多激励构型的真空加速的理论。提出并验证了如果把交叉束构型中的一束光以静电场取代，这种新构型可以导致荷电粒子的运动变成非时间周期性的（即一种时间周期性和时间单调性混合），而这种混合型运动对应着粒子动能的实质性增长。同样这种双激励构型比相同能量下的单激光束构型能产生更高的电子最大能量。　　3，提出了基于前述交叉激光束构型的另一个变异版本（即把一束光以静磁场取代）的真空加速的非微扰理论。和静电场版本类似，荷电粒子的运动是一种时间周期性和时间单调性混合。同样该变异版本比相同能量下的单激光束构型能产生更高的电子最大能量。　　4，提出并验证了交叉垂直配置的静电场和静磁场对传统固态加速器小型化的可行性。严格的理论和计算揭示，利用这样的场的配置可以使高能荷电粒子在很小的空间区域内发生180度的偏转，该空间区域的尺寸比传统的纯磁场偏转所需的空间尺寸小几个数量级。这从根本上保证了传统固态加速器小型化不再受巨大的偏转空间所制约。　　5，提出了真空中光束的横向形状的严格解。因光束的功率是有限的，电磁能量如何在横截面内分布是一个实际问题。传统的光学理论对这一问题的处理都是基于傍轴近似或慢变包络近似，虽然这些近似也能够导致光束的横向非均匀强度分布（即形状），这些非均匀形状的准确性是悬而未决的。我们的严格理论揭示了如何从合理的横向边界条件出发找出波动方程的严格（而非近似）的横向不均匀解。这对于准确的计算光与物质相互作用有着非常重要的意义。基于这样的严格解，我们证实了单束激光的真空加速的可行性。　　6，发现了荷电粒子体系自洽场的准确宏观方程组。众所周知该体系的标准理论基础是Vlasov-Maxwell方程组是非常难以或几乎不可能做实际的6D计算（因太大的数据量）。即使对其现在最合理的处理技术PIC模拟，也难以做大时间-空间尺度的3D预报。尤其是在PIC模拟中，机时主要耗费在宏粒子一侧的信息更新中。我们从各种角度出发发现了自洽场所满足的准确宏观方程组，这对于快速准确的大时间-空间尺度的3D预报自洽场信息有着现实意义。