在强场激光物理领域，每一次激光技术的革新都将为人类科学研究提供更加丰富的实验手段与物理条件。特别随着啁啾脉冲放大技术的迅速发展，超高的激光强度和超短的脉冲宽度作为核心的两个要素质量逐年提高，实验室中激光聚焦强度已经能够超过1022W/cm2，单脉冲宽度已小于10fs。超强的激光聚焦功率密度使其在与物质相互作用时，在超短的时间尺度内将组成物质的原子或分子电离成等离子体，因此，光与物质相互作用在该条件下进入了相对论激光等离子体物理学研究的范畴。近年来，该研究领域迅速蓬勃发展，推动了许多传统及新的交叉学科，如激光核聚变、激光粒子加速、高次谐波及阿秒脉冲产生。在激光与固体相互作用中，伴随着复杂的电磁场与电子作用的过程，要实现对电子发射的操控及物理机制的探索，需要全面地针对激光和固体在多种参数特征下涉及的物理过程和机制进行研究，如长期以来被忽略的强激光在固体表面形成的电磁场结构与表面等离子体波作用对电子发射的影响。本论文主要对超短超强激光与固体靶的相互作用中超热电子的发射进行研究，特别是如何实现稳定操控固体表面发射电子束源、快点火表面超热电子发射控制以及X射线单色源和诊断技术，取得了若干具有显著创新性的研究结果。主要包括:　　1.实验研究了飞秒超短脉冲激光与固体铝靶相互作用中超热电子发射，利用高对比度聚焦强度约为1017 W/cm2超短脉冲激光辐照铝靶，首次观测到可控制的准单能电子束的发射及其偏转效应。实验发现该电子束在激光反射方向附近偏靶面法线方向发射，并在相对于激光反射方向的镜像位置伴随电子的排空结构。首次提出了激光驱动表面等离子体波锁相电子发射的两步模型，揭示了准单能电子束发射及其偏转效应的物理机制:强场超快激光辐照固体平面靶产生沿靶面传播的表面等离子体波，并建立干涉激光场，少数处于等离子体波波峰的电子由于较高的能量以特定的相位窗口沿激光反射方向从表面等离子体波逃逸进入干涉激光场，并在激光场有质动力作用下向法线方向发生偏转。该理论模型预言表面等离子体波的周期性电子发射可能产生准单能的阿秒电子束脉冲链。　　2.实验研究了百太瓦强度级飞秒强激光与纳米表面微结构靶（以下简称纳米靶）及平面靶材相互作用超热电子发射。在1019W/cm2激光聚焦强度下，我们从平面靶表面获得了1～3MeV能量范围内转换效率为1.1％的超热电子，纳米靶表面超热电子的剂量仅为平面靶的10％。研究发现，平面靶在该强度下靶表面形成连续性强磁场，约束导引超热电子沿表面方向发射。纳米须吸收的大部分激光能量转换成前向超热电子向靶内传输，表面结构靶非连续断裂性的磁场结构不能稳定地约束表面电子的发射，从而造成表面超热电子数目和能量的下降。实验和理论分析结果对快点火靶设计及其与入射激光的角度匹配有重要参考意义，纳米须结构的电磁导引特性的研究对控制超热电子传输有参考价值。　　3.实验研究了高功率强激光与纳米须表面结构靶相互作用中Kα射线的光谱及产额，获得了高出传统靶材近10倍Kα单能射线。利用设计的椭圆柱面Bragg弯晶，我们获得了谱分辨率超过1000的高精度CuKα谱线，采用蒙特卡罗(EGS4)程序计算纳米须靶的X射线产额，Kα单能射线的转换效率约为0.019％，这一结果表明强激光诱导纳米须靶发射高产额的单能Kα射线提供了一种非常具有应用价值的X射线源产生方式。　　4.设计了二维X射线针孔成像方法，将其应用于相对论激光与固体靶作用的X射线诊断中。实验研究发现，在聚焦功率为1018 W/cm2的飞秒激光脉冲与薄膜铜靶相互作用中，从靶背表面测得X射线源的半径尺寸为25μm，前向超热电子束的发散角约为25°～35°。二维X射线成像诊断及模拟结合的方法对研究影响电子发射散度的物理机制及电子束散度特征的定标规律等方面有重要作用。在相对论激光与气体相互作用尾波场电子加速平台上我们搭建立了高分辨率4F泵浦-探测干涉、阴影成像超快探测系统，研究超强激光在小于等于临界密度等离子体中的传播及相对论等离子体通道的演化过程。实验中获得了空间分辨率为2μm，时间分辨率为50fs的激光等离子体干涉通道图像，研究了相对论激光在不同密度氦气中传输时，等离子通道的演化过程和电子密度分布规律。