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激光尾波加速（LWFA）因其具有加速梯度高、结构紧凑、经济效益高等优点,有望发展成为新一代正负电子对撞机、X射线光源以及自由电子激光的理想加速方案。该方案是由美国科学家Tajima和Dawson于三十年前（1979年）提出,利用超高能量密度激光脉冲轰击特定气体时产生的等离子体加速结构,在毫米、厘米、甚至于米的距离内将电子加速到接近于光速,以获得极高能量的电子束输出。此后,该领域的研究经历了早期的大振幅尾波激发、稳定电子加速到如今受控高品质加速等多个发展阶段。为了实际应用,LWFA电子束品质的提升（包括峰值能量、能散、发射度和电量）,还有待进一步加强。本论文以提升LWFA电子束品质为目标,围绕相对论强激光驱动稳定电子加速与诊断、电子束品质优化、LWFA中离化注入的动力学过程诊断等方面开展了相关实验研究。论文的主要研究工作和创新成绩总结如下:1.完成了上海交通大学激光等离子体电子加速器实验及诊断平台的建设任务。在此平台上,利用功率高达17?50TW,脉宽为30fs,中心波长为800nm的激光脉冲与4mm长的纯氦气体喷流相互作用,经自注入LWFA机制,在低氦等离子体密度条件下产生了峰值能量超过100MeV的高质量准单能电子束。详细研究了电子束的空间发散角、指向性、能谱及电荷量随等离子体密度变化的关系,发现:低密度条件下产生的电子束质量明显高于高密度条件下产生的电子束;随着密度的进一步提高,电子束质量严重下滑,与此同时,激光脉冲与等离子体的相互作用过程也变得不稳定。2.利用相同参数的激光脉冲与4mm长的纯氖气体喷流相互作用,经自注入LWFA机制,产生了峰值能量为40?120MeV、电荷量高达430pC的准单能电子束。实验中,我们还研究了电子束空间发散角、指向稳定性及电荷量随氖等离子密度的变化关系,在较高密度下,我们观测到了多个电子束产生的现象。数值模拟结果表明:这是由于激光脉冲在高密度等离子体中传输时破裂成多个子脉冲,每个子脉冲均激发自己的尾波场,加速电子,进而形成多个子电子束。3.利用高度不匹配激光脉冲与氦气中掺杂低浓度（0.3%）氮气形成的4-mm混合气体喷流相互作用,经离化注入电子机制,可全面优化单级LWFA产生的电子束质量。我们使用了30TW、30fs的激光脉冲轰击混合气体喷流,在3.3?8.5×1018cm-3的氦等离子体密度条件下,可产生平均峰值能量高达300MeV的电子束。相同实验条件下,对比纯氦中发生的电子自注入机制,掺杂超低浓度的氮气后诱发的离化注入电子过程呈现出自控制特性,所产生的电子束具有更高的能量,更大的电荷量,电子被俘获的密度阈值也更低,同时产生低能散且无背景暗电流（低能电子）的可能性更高。获得这一实验结果的潜在机制是:高度不匹配激光脉冲在等离子体中传输形成的自聚焦效应诱发了自截止电子离化注入过程。通过优化氮气掺杂比例,获得了454MeV、3.4%能散的高品质电子束。4.设计搭建了一套单光束飞秒探针系统,用于研究LWFA中离化注入的动力学过程。该探针光束由已有的200TW激光主光束中分出,经分束器后分成两路光:一路光通过双棱镜干涉后成像,用于探测等离子体密度分布及其随时间的演化过程;另一路光直接对等离子体区域进行阴影成像,用于探测激光脉冲与等离子体相互作用过程。利用该套系统,我们首次在飞秒强激光脉冲在氦氮混合气体喷流中驱动尾波加速中观测到了可能表征氮原子内壳层电子离化与注入过程的剑鱼型阴影结构,并对这一结构进行了时间分辨动力学研究。