高功率激光的发展，尤其是啁啾脉冲放大技术的发明，使超强超短激光的功率密度得到极大的提升，达到了相对论强度领域。探索超强超短激光与物质的相互作用过程的规律，为研究粒子物理提供了新方法。其中，利用超强超短激光在等离子体中驱动尾波场进行电子加速的方法在1979年首次被提出。相比于传统加速器，等离子体能承受更高的电场强度，不受材料耐压击穿的限制。尾波场中的轴向加速电场可达～100GV/m量级，比传统加速器中的加速电场高出约三个量级。理想情况下，激光尾波场能够在比传统加速器小三个量级的加速长度内将电子束加速至相同能量。由于具有超高的加速电场，激光尾波场加速被寄希望于研制下一代紧凑型加速器。经过近四十年的研究，基于激光等离子体尾波场的多种加速方案在实验和理论中都得到了充分的验证和研究，相关的辅助控制方案和电子束参数测量方案也随之被提出和验证。这些控制和测量方法提高了被加速电子束的品质，甚至使激光驱动等离子体尾波场加速所得电子束的某些参数和传统加速器中的电子束可比。另外，由激光驱动等离子体尾波场加速得到的电子束也被作为电子源，应用于多种波荡器方案中产生相干和非相干的同步辐射。通过控制电子束源的参数或者电子束的横向振荡过程，同步辐射可被产生且波长在一定范围内可调谐。　　本论文立足于通过激光等离子体尾波场电子加速方案获得高品质和高能量电子束。论文利用实验研究、理论分析和数值模拟等方法，对等离子体密度分布和尾波场动力学过程进行深入的分析，在高品质电子束的获得、毛细管放电等离子体通道诊断、等离子体通道导引激光尾场电子加速、电子束脉宽测量等方面取得了以下的成果:　　1.利用两段喷嘴结构，将第一段喷嘴后壁插入第二段喷嘴的气流中，通过控制气流密度的细微分布，产生了尺寸约两百微米的高密度区域。同时运用级联加速、准相位匹配加速和电子能散啁啾补偿等多种技术，获得峰值能量～500MeV、RMS能散～1％、RMS发散角～0.2mrad、电量为10-80pC、重复率极高的高品质电子束。电子柬的能量可通过改变加速级的长度实现准线性的调节。此外，由于该电子束的发散度极小，电子束的六维相空间亮度比过去LWFA方案中获得的电子束亮度高了数倍，与传统直线加速器输出的电子束亮度可比。　　2.通过激光光斑在通道内的尺寸振荡曲线测量充氢气毛细管放电等离子体通道的匹配光斑尺寸。保持放电电流和充气气压一定，不同长度充气放电毛细管波导中的径向等离子体密度分布可视为相同。因此，测量不同长度毛细管出口处的光斑尺寸可恢复出激光光斑在通道内的尺寸振荡曲线，以此计算出匹配光斑尺寸。相比于以往的方案，这种方法避免了多解问题和激光发散引入的测量误差。　　3.利用烧蚀毛细管放电得到了稳定的等离子体通道，并用其导引激光进行尾场电子加速的实验。在毛细管中充入气压极低的气体作为种子等离子体，可稳定毛细管放电波导的延时抖动，延长毛细管的寿命。通过对比单段毛细管和两段混合材料毛细管放电波导导引的激光尾场电子加速结果，实验验证了毛细管放电波导中的级联加速效果。利用电离注入的方案，得到了峰值能量最高为3.2GeV的高能量电子束。　　4.提出了利用等离子体通道尺寸箍缩结构实现电子离轴注入的方案，并在二维和三维PIC模拟中得到验证。通道箍缩结构改变电子注入的阈值，离轴位置越远的电子注入阈值较低。在通道尺寸扩展区，电子从横向离轴位置注入。离轴注入的电子在加速过程中伴随着离轴振荡，因此可用作电子源产生振荡辐射。根据模拟结果，通道箍缩引入的电子振荡周期更短，相比于利用激光离轴入射的方案，其产生的辐射能量更高。　　5.从实验设计和理论验证角度讨论了一种法拉第旋转自相关法测量飞秒量级电子束的脉宽。利用电子束在激光尾场中加速时产生的角向强磁场改变侧向探测光的偏振，并使偏振改变的光进入干涉仪产生干涉条纹。由于干涉条纹的区域尺寸只依赖于磁场的区域尺寸，与探测光的脉宽无关，通过测量干涉条纹的区域尺寸可反推出电子束的脉宽。结合一定倍率的放大系统，该方法的测量精度能够到1fs。