超强激光加速产生的高能质子束源在基础物理研究、材料科学、生物医疗等领域具有广泛应用前景。基于激光聚变研究中心的SILEX-II装置，开展了高对比度飞秒激光驱动纳米刷靶质子加速实验研究。采用等离子体镜技术进一步提升激光对比度，有效降低了预脉冲对纳米刷靶结构的影响。相比于平面靶，采用纳米刷靶质子截止能量提高到1.5倍，质子束产额增加近一个量级，成功验证了超高功率密度下纳米刷靶对激光离子加速的增强效果，并且有效提升了质子束空间分布的均匀性。研究结果为高品质质子束源的产生和应用提供了技术途径。

针对皮秒脉冲激光产生的X射线能谱精密诊断需求，提出了一种晶体谱仪，该谱仪使用曲率为200 mm的透射式石英弯晶作为色散元件，测谱范围可覆盖8～60 keV。使用该谱仪在星光III和神光II升级装置进行了应用，成功获得了铜、钼、银等元素的特征线能谱，以及金的L壳层特征线，测量获得的能谱信噪比较高，显示了谱仪在测量皮秒激光产生的X射线能谱上的良好性能。

为实现惯性约束聚变（ICF）内爆燃烧停滞阶段过程中最大压缩时刻的冷燃料面密度分布测量，设计了包含字母客体与针孔阵列的照相客体，通过同一发相同视角测量源分布与客体照相技术，首次建立了皮秒激光驱动的高能X射线源编码照相技术。通过星光III实验研究，基于W丝阵靶照相的反演图像空间分辨率5.4 μm±0.7 μm；激光到X射线（50～200 keV）的能量转换效率，W丝阵靶5.4×10⁻⁴，与传统Au单丝靶的转换效率（4.8×10⁻⁴）一致。基于源编码照相解决了传统皮秒激光背光照相中空间分辨率与光源亮度不能兼顾的困难，为强背景干扰下提供高信噪比、高分辨率的ICF靶丸压缩背光图像提供了重要照相方式。

提出了一种基于混合像素探测器作为记录介质的用于激光聚变内爆D³He质子源能谱和产额测量的在线磁谱仪诊断系统。通过对探测器上特征团簇数目和能量的识别，结合诊断系统排布，可以快速获取激光聚变反应产生的D³He质子源的能谱和产额。在神光装置上对该诊断系统进行了测试。实验使用31束纳秒激光聚焦到靶丸上驱动聚变反应。靶丸内充有原子比1∶1的D₂和³He的混合气体。在线磁谱仪诊断系统测量到了中心能量在14.6 MeV、半高全宽为2.1 MeV、产额约(2.3±0.13)×10⁹的初级D³He质子能谱。该系统的建立可以实时给出D³He质子源能谱和产额信息，从而更加及时地指导实验的开展。