飞秒磁场脉冲对研究超快磁化、超快退磁、超快磁存储和自旋超快动力学等过程具有重要意义。传统的脉冲磁场受限于脉冲电源性能无法获得毫秒量级以下的超短脉冲磁场，无法研究飞秒尺度的磁动力学过程。利用超短脉冲激光驱动等离子体产生旋转电流是目前产生飞秒磁场脉冲的有效方法。本文利用质点网格法模拟圆偏振拉盖尔高斯光束驱动等离子体中的电子运动从而产生光电流以及飞秒磁脉冲的过程，模拟产生了特斯拉量级的飞秒超短磁脉冲，并系统讨论了驱动激光强度与等离子体密度对磁脉冲的影响。结果表明，脉冲磁场的脉宽与驱动光一致，其强度随着激光场强度、等离子体密度增加而增加。通过本文研究寻找产生飞秒磁脉冲的优化实验参数，有望将超快磁动力学研究推进到飞秒时间尺度。

激光驱动的正电子源具有高产额、短脉宽、高能量的优点。采用粒子模拟和蒙特卡罗模拟相结合的方法，对相对论飞秒激光与表面具有微米丝阵结构的调制靶相互作用产生正电子束的过程进行了全三维的模拟研究。结果表明，在激光能量约3.2 J、脉宽约为40 fs的情况下，可得到产额为10¹¹量级、最大能量达120 MeV的超热电子束，其轰击高Z转换靶可达到产额为10⁹量级、截止能量约50 MeV的正电子，且正电子的发散角仅为4.92°。相比于平板靶，表面调制靶的使用可以提高正电子的产额、能量和定向性。

人类在实验室可实现的激光强度极限是强场量子电动力学（QED）的重要问题。在非理想真空条件下，极端超强激光与残留的电子相互作用触发伽马光子辐射与正负电子对产生的QED级联效应，从而显著消耗激光能量，大幅降低可实现的激光峰值强度。考虑到QED级联效应与激光偏振、焦斑尺寸、脉宽长度有着密切的关系，基于囊括QED过程的粒子网格模拟方法（Particle-in-cell, PIC）对上述参数的效应进行分析，同时构建了激光场演化的自洽方程来进行解释，二者结果基本保持一致，获得的强度极限在考虑的参数范围内为10²⁶～10²⁷ W/cm⁻²。结果表明，同等情形下，圆偏振激光可激发更强的QED级联，使得激光强度上限略低于线偏振。此外，紧聚焦激光由于QED级联发生的时空间尺度更小，从而激光的吸收效应被显著抑制，进而可以实现更强的聚焦强度。对于更长脉宽的激光，由于正负电子对吸收的能量区域更加弥散，使得可实现的激光强度上限阈值有所提升。但对于超短脉宽情形（如单周期），由于QED级联的种子源电子束不能很好地被约束在激光区域，理论分析耗散的激光能量偏高。此外，在高真空度的情形下，残余电子的随机性也会对可实现激光强度产生一定的影响。研究结果可为后续开展极端强场QED实验和数100 PW级超强超短激光装置建设提供指导。

强光子辐射导致的自旋极化等离子体是强激光与物质相互作用领域兴起的新研究方向。基于等离子体的自旋极化粒子束在固态材料诊断、原子核结构探测、弱电相互作用分析等方面具有广泛应用。同时，自旋作为电子的固有属性，它可为描述等离子体的行为状态提供新的信息自由度，因此自旋极化信号在强场等离子体自诊断也具有潜在应用。概述了在超强相对论等离子体中，由伽马光子辐射伴随的自旋翻转产生的自旋极化等离子体的物理机制，并对其在超高能量密度等离子体瞬态动力学反演的可能进行了介绍。

通过一维粒子模拟研究了利用相对论少周期强激光与固体密度等离子体表面相互作用实现单个孤立阿秒光脉冲产生的参数条件。主要研究描述相互作用的多维参数，如激光强度、入射角和等离子体标尺长度等，对相对论高次谐波能量转换效率和孤立阿秒光脉冲分离度的影响。研究发现，虽然激光等离子体参数对阿秒光脉冲产生的影响是复杂的，但是存在着能够实现大能量孤立阿秒光脉冲的最佳等离子体标尺长度和最佳入射角。当其他相互作用条件确定时，使用中等强度的相对论强激光可以在较宽的参数范围内实现孤立的阿秒光脉冲。大角度入射时，孤立阿秒光脉冲的分离度较高，能够实现孤立阿秒光脉冲的相互作用参数范围也较宽。