近年来,随着惯性约束聚变以及“快点火”方案研究的不断深入,强场物理研究领域受到了广泛的关注。在此研究背景下,本文针对激光驱动质子束的二维角分辨能谱进行了相关的研究。本论文的主要内容包括以下四个部分:第一部分包括第一章和第二章。第一章为绪论,介绍了超短超强激光的发展历程和与本文相关的研究热点,主要包括:惯性约束聚变及“快点火”方案、激光驱动超热电子的机制、激光驱动高能离子的机制、以及高品质质子束的应用。第二章介绍了与本文相关的实验室建设工作,主要包括四个部分:200TW飞秒激光装置的介绍、腔体的真空度检测、小尺寸金属靶台的设计、以及实验室的辐射防护检测。在辐射防护检测方面,我们利用RGD-3B热释光剂量仪测量了高次谐波实验和近临界密度气体靶实验的辐射剂量。测量结果表明:高次谐波实验期间辐射剂量较小,满足《电离辐射防护与辐射源安全基本准则》的要求;而近临界密度气体靶实验的辐射剂量较大且辐射主要集中在激光传输方向上,在激光传输方向周围不满足《电离辐射防护与辐射源安全基本准则》的要求。因此在打靶期间,工作人员应避免位于激光传输方向上。第二部分包括第三章和第四章。这部分内容主要从诊断设备出发,对电子和质子的现有诊断仪器做出改进。第三章介绍了基于实时探测的电子磁谱仪。该谱仪利用PI200塑料闪烁体将电子信号转换成光信号,并利用可形变的PMMA塑料光纤将光信号传递至CMOS相机,对电子信号进行实时采集。通过实验,我们测得了实时的电子能谱,证明了该谱仪具有实时探测的功能,特别适用于高重频激光系统。第四章主要介绍了二维角分辨质子谱仪的设计原理与探测结果,也是本论文的研究重点。为了提高探测能力,我们在Thomson离子谱仪的基础上利用特殊加工的二维针孔阵列作为质子束入射孔。本章从模拟和实验验证两方面对该谱仪测得质子束能谱的可行性进行了分析。通过对质子能谱的解析,利用该谱仪可以得到质子束在二维空间不同方向上的能谱,为研究激光驱动质子加速的物理过程提供了全新的方法。第三部分为第五章,主要介绍200TW飞秒激光装置开展的激光驱动质子加速实验。利用二维角分辨质子谱仪对质子束进行诊断,在实验中发现了两个重要的结果:第一,在高对比度激光与大尺寸靶(30mm×15mm)相互作用的情况下,质子束的能谱发生弯曲,且弯曲的趋势和现有的研究结果并不吻合。我们从探测屏回溯质子束的径迹,发现在靶后存在一个虚的质子源。通过目前的分析,认为造成谱线弯曲的原因是由于质子之间的空间电荷效应,这部分内容还有待进一步的研究。第二,对于径迹呈直线的质子谱线,对能谱解析后发现通过TNSA获得的质子束并不沿靶后法线方向,而是偏向激光传输方向射出,且偏转角度与激光入射角呈正相关性。该实验结果在整体趋势上同模拟结果相符,但当激光入射角较大时质子束偏转角度较模拟结果偏大。从另一个方面验证了在200TW激光装置的条件下,非对称且随时间演化的鞘层电场是导致的质子束指向性偏转的主要原因。第四部分为第六章,对本文已有的研究工作做了总结,并对今后的研究工作做了展望。