无碰撞冲击波与天体物理中的超新星遗迹和高能宇宙射线产生等现象紧密关联。随着现代激光技术的不断发展,强激光与物质相互作用已经可以产生超过10111 bar的压强、109℃的温度以及104 T的强磁场等类似天文环境中的极端条件,这提供了在实验室中研究无碰撞冲击波的可能。另一方面,强激光在等离子体中可以产生比传统加速器高三个数量级以上的加速梯度,这为新一代粒子加速技术发展提供了机遇。高品质离子束在很多方面都有重要的应用价值,例如质子束成像、医学上的放射性治癌以及惯性约束核聚变的快点火方案等。与传统加速器产生的离子束相比,激光驱动离子束具有方向性好、脉宽短、亮度高等优点,因此激光驱动离子加速激发了人们浓厚的研究兴趣。近年来,随着高功率激光技术的发展以及制靶技术的提升,激光驱动离子加速取得了丰富的成果。靶后鞘层加速（Target-Normal-Sheath-Acceleration,TNSA）是目前实验中最主要的加速机制,通过这种加速机制已经可以产生最大截止能量约100 MeV的质子束。然而通过这种方法获得的离子束普遍具有较宽的能谱,这对于推广其在癌症治疗等对单能性要求较高的领域的应用是非常不利的。与之相比,通过激光辐射压加速则有望产生准单能性较高的离子束。根据靶厚度不同,辐射压加速可分为“钻孔”和“光帆”两种加速模式。在理论上,通过“光帆”加速机制,纳米薄膜靶可被激光持续向前推进,最终产生高能量的准单能离子束。然而,在实验中“光帆”加速要求苛刻的激光和靶条件,譬如超高对比度的圆偏振强激光脉冲等,同时加速品质受到横向不稳定性、等离子体加热等不利因素的影响。因此如何改进激光驱动的离子加速机制增强所产生离子束的品质和能量依然极具挑战性。近些年,随着制靶技术的不断进步,激光与近临界密度靶相互作用为激光等离子体加速带来了新机遇。本论文围绕激光与近临界密度靶相互作用中的无碰撞冲击波产生以及离子加速等过程开展了理论和数值模拟研究。论文主要包括以下几个方面内容:首先,我们在第一章中简述了激光技术发展、给出了激光等离子体相互作用的主要参数与特点、介绍了激光等离子体相互作用的PIC数值模拟方法。然后在第二章中回顾了激光与等离子体相互作用中几种常见的离子加速机制,包括靶后鞘层加速,光压加速以及无碰撞冲击波加速。第三章,研究了强激光与固体靶作用所产生的等离子体流相互对撞过程中冲击波的形成和演化过程。实验中利用多束激光辐照一对薄膜铜靶内侧产生对流等离子体,并在等离子体对流过程中形成了一对反向传播的无碰撞静电冲击波。通过一维粒子模拟,我们发现等离子体流的相互作用区域的边缘会产生两个稳定存在的双极静电场,离子将在这两个双极静电场的中间（下游）区域聚集,并与背景等离子体间形成密度跳变界面,从而形成冲击波。此外,模拟结果显示热压梯度进一步驱动了冲击波的动态演化。因为对流等离子体中的电子在进入到下游时会将大部分动能转化为热能,因此下游区域温度要明显高于未扰动的上游。这种情况下,冲击波处于非热平衡状态,是不稳定的。在热压力梯度的催动下,冲击波会向两侧上游传播。这些模拟结果合理地解释了对应的实验现象。第四章,研究了强激光与近临界密度靶相互作用中无碰撞静电冲击波的形成及其对离子的加速过程。虽然目前实验室主要通过激光与固体靶作用所产生的等离子体流对撞来研究无碰撞冲击波的产生机理,然而这种形式的冲击波速度普遍较低。为了产生近相对论速度的冲击波,我们建议利用强激光与大尺度的近临界密度靶相互作用。本章具体可分为以下三部分:第一,先从流体模型出发比较了离子声孤波和冲击波各自的产生条件,并以此针对如何产生高速度的无碰撞静电冲击波进行了初步的分析。第二,介绍了冲击波产生的重要判据兰金-于戈尼奥关系（Rankine-Hugoniot Relation）,用于描述冲击波上下游等离子体各参数之间的关系。第三,我们进行了一维PIC粒子模拟,发现强激光在近临界密度等离子体中所激发的冲击波速度及其加速产生的离子束能量都有显著提高,而且在近临界密度等离子体中冲击波的形成需要经过长达几十个激光周期的响应时间。更有趣的是,我们发现了反常的冲击波反射离子现象,即当冲击波上下游之间的静电势能差小于冲击波坐标系中的离子动能时仍然可发生离子反射。这是因为在近临界密度等离子体中强激光所激发的纵向准静态电场将具有剧烈的时域振荡性,此时基于完全静态电场的离子反射条件将不再适用。第五章,我们基于固体薄膜靶与密度调制的大尺度近临界密度靶相结合的复合靶构型,提出了更高效的辐射压-尾波场混合离子加速模型。在第一阶段,超短超强激光辐照薄膜靶,基于光压加速机制可将质子初步加速到较高的能量。第二阶段,这些经过初步加速的质子与激光一起进入近临界密度等离子体,并在激光尾波场中获得进一步加速。模拟发现,在近临界密度等离子体中尾波场的相速度约等于激光波前的传播速度,而后者将随着等离子体密度的减小而缓慢增加。因此当我们沿着激光传播方向恰当地降低背景等离子体密度时,就可以保证尾波场传播速度一起增加,从而显著地延长了失相时间,最终可获得更有效的尾波场离子加速。基于这套混合加速方案,我们利用脉宽10T0、峰值能量10 PW的激光脉冲可以加速产生能量达到几个GeV的准单能质子束。