随着激光技术的蓬勃发展,利用高功率激光和物质相互作用成为研究原子核物理的新型方法。近年来,在激光驱动的核反应中,离子输运、中子产生等方面的新现象、新规律引起了研究者们的广泛关注。在本文中,我们讨论了改变靶结构来调控其中的离子加速机制,从而提高中子产额的方法;并研究了等离子体中的核反应动力学过程,尤其是离子在不同状态的等离子体中阻止本领的改变对核反应率的影响。另外,我们设计了一套角分辨离子能谱仪,用于诊断离子在等离子体中的能量损失,为核反应截面的研究提供离子角分布、能谱等关键信息。我们还设计了一套基于闪烁体和光学成像系统的电子能谱实时诊断谱仪,可用来监测激光到超热电子的能量吸收效率,从而了解激光等离子体中粒子的加速、辐射的产生等次级过程背后的物理机制。为了提高核反应率,优化中子产额,我们通过二维PIC程序模拟研究了强激光分别与固体靶、近临界密度(near-critical density,NCD)靶和泡沫靶相互作用中的中子产生。与固体靶和NCD靶相比,泡沫靶中存在更强的离子碰撞,使中子产额大幅度提升。这是由于泡沫靶中的层状结构周围存在双极静电场,加剧了靶内部离子在多个方向上的加速。激光能量到泡沫靶内部的离子的转换效率为11%,是固体靶的12倍。在模拟中我们还发现,具有更薄的层状结构和更大孔隙的泡沫靶对激光能量的吸收效率更高,其内部的离子能量更高,碰撞也更加剧烈,因此中子产额能够获得进一步的提升。在功率密度为1020 W/cm2的激光与30 μm厚的泡沫靶的相互作用下,单发的中子产额可以达到107。通过激光与物质相互作用形成的高温、高密、高压的等离子体,可以在实验室中模拟天体核反应的等离子体环境,这将有助于我们探究重元素的起源,为元素丰度之未解谜题提供新的思路。同时,对等离子体中核反应的研究也与惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)中燃料装药量设计息息相关。与常温常压的环境相比,等离子体中的核反应过程涉及到许多复杂的问题。为了获得等离子体环境下的核反应率,需要定量地分析核反应截面的修正以及等离子体对离子束阻止本领的变化。我们在实验中研究了皮秒激光驱动的高能氘离子束与纳秒激光驱动的碳氘等离子体的相互作用。通过改变两束激光间的时间延时,使得D+D→3He+n反应在不同等离子体参数(温度、密度等)下发生。实验中测量了等离子体密度,具有角分辨的离子能谱,以及中子的角分布。结果显示,较高温度等离子体环境下的中子产额相对于冷靶环境有明显的提高。通过对结果的分析,我们还发现相比于冷靶,等离子体对中等能段(<2.5 MeV)氘离子的阻止本领有所减弱,这会使得D-D碰撞的有效能量变大,带来更高的反应率。此外,通过该实验方案能够在单发次下同时诊断离子经过等离子体的能损和中子的产额,以及等离子体的状态参数,这也为等离子体环境下核反应截面的测量提供了帮助。离子在等离子体中的输运过程,尤其是离子的阻止本领,是造成核反应率改变的关键因素。为了分析离子在经过等离子体后的能量损失,我们设计了一套基于多针孔通道的,具有角分辨的离子谱仪,来诊断不同出射方向的离子能谱。它可以同时得到离子的种类、角分布和能谱信息,可以对离子束多方面信息进行诊断,且紧凑简洁,占用空间较小,方便使用。我们在实验中利用角分辨离子谱仪测量了TNSA机制加速的质子和氘离子,并得到了离子发散角对能量的依赖关系。在激光与固体靶相互作用中,超热电子的产生与输运是绝大多数次级过程(如高能粒子和电磁辐射)的来源。在实验中往往需要对超热电子进行实时的监测,从而了解每一发次激光的聚焦情况以及能量的吸收效率。对逃逸电子能谱的诊断,能够帮助我们分析超热电子的数目、温度等信息。因此我们发展了一套基于闪烁体和光学成像系统的电子谱仪。通过CCD相机的图像可以得到实时的电子能谱,省去了大量数据读出的时间成本。在物理实验方面,我们通过验证了在一定的正向离焦量(焦前打靶)下,逃逸电子温度有所提高,并通过PIC模拟证明了这是由于预等离子体中激光的自聚焦效应使聚焦位置从靶后提前到了靶前临界密度表面处。这对激光-固体靶相互作用中激光能量的吸收以及超热电子的调控具有一定的参考意义。