随着激光技术的快速发展，特别是啁啾脉冲放大技术的提出和实现，目前实验室中已经获得峰值功率到10PW的飞秒相对论激光脉冲，100PW甚至更高功率的激光装置也正在规划。相对论激光脉冲可以加速产生几十MeV到数GeV的高能电子束。高能电子束可以通过多种机制产生伽马射线:高能电子与高Z原子核相互作用，通过轫致辐射过程产生伽马射线;高能电子束与次级激光脉冲相互作用，通过逆康普顿散射过程产生高能伽马射线;高能电子在尾场中横向静电场作用下通过回旋辐射产生高亮度的伽马射线;强场激光与等离子体相互作用进入辐射主导区时（10PW级激光），电子在激光场中运动时就可产生极强的伽马辐射。由于强场激光脉宽是飞秒量级，其产生的伽马射线源脉宽一般小于皮秒量级。另外，强场激光也可以基于多种机制加速产生质子束，当激光强度大于1022W/cm2时，基于光压或者空泡等加速机制可以产生GeV以上的高能质子束。高能质子束也可以进一步用来产生反质子、荭介子或μ子等粒子。　　基于以上几点，本论文主要做了以下几个方面的工作:　　1.飞秒相对论激光脉冲驱动产生的超快伽马射线源，其脉宽通常小于皮秒，传统的闪烁体或高纯锗探测器由于时间分辨率限制，无法进行有效探测。为了获得伽马射线的能谱信息，本论文根据伽马射线与物质相互作用的过程，设计加工了适用于超快伽马射线的谱仪:康普顿散射谱仪和能量沉积谱仪。两种谱仪分别通过测量伽马射线散射的次级电子和伽马射线穿过材料后的剩余强度信息反推出伽马射线能谱。伽马光束能谱的精确探测非常有利于激光驱动超快伽马射线源的后续应用。　　2.基于单光子的思想，提出了一种新的多通道超快伽马射线谱仪，其可以实现高分辨率、宽能谱测量。该谱仪主要由闪烁体阵列、光电探测阵列以及信号获取系统构成。超快伽马射线探测实验中，通过调整谱仪的位置和距离，使得每一路通道最多探测一个光子信号，综合多路信号可以获得伽马射线源的能谱信息。目前已搭建4×4阵列的伽马谱仪原型机，并做了标定测试。　　3.利用强场激光物理国家重点实验室飞秒拍瓦激光装置，进行了飞秒激光脉冲驱动的超快伽马射线产生实验和应用研究。飞秒相对论激光脉冲与氩气团簇靶相互作用，产生了电量超过10nC的相对论高能电子束。高能电子束入射到毫米厚度的铜靶时，通过轫致辐射过程产生高通量超快MeV伽马射线束，其峰值强度超过1023s-1。伽马射线能谱采用能量沉积法测量，为截止能量超过15MeV的连续能谱分布。能谱测量的实验结果与Geant4模拟近似一致。该高通量高能超快伽马射线源可用于光核反应、无损诊断以及临床应用等方面。另外，利用Geant4模拟程序，将实验中产生的高能电子束入射到厘米厚度的铜靶，模拟了伽马驱动光核反应的中子产生过程，产生了超过106个中子，中子在4π立体角内近乎均匀分布。　　4.基于飞秒超强激光脉冲，利用二维PIC模拟和Geant4模拟来研究超快反质子束的产生过程。首先，基于光压空泡联合加速机制，飞秒超高强度激光脉冲可以产生几十GeV的高通量质子束;然后，该高能质子束入射到高Z靶产生反质子。反质子束的产额和能量几乎随着激光强度线性增加。激光强度为2.14×1023W/cm2时，产生的反质子束脉冲宽度约为5ps，其通量为2×1020s-1。与基于直线加速器的传统方法相比，这种基于超强激光脉冲的新方案能够提供紧凑、可调谐的超快反质子源，将在夸克胶子等离子体研究，全光学反氢生成等方面都有潜在的应用价值。同时也模拟了π介子和μ子的产生过程，它们需要的质子能量阈值更低，反应截面也较大，更容易在短期内实验上实现。随着激光功率的提高，激光驱动的粒子源也将更加丰富。