高性能质子束具有广泛而重要的应用,如癌症治疗、质子照相、快点火聚变等,而这些应用对质子束的品质有一定的要求,如峰值能量、单能性、发散角、束流强度、能量转换效率等。传统的粒子加速器占用空间大,成本高,并且不能原位应用,而超强激光脉冲技术的发展为人们提供了一种基于激光与等离子体相互作用的新型粒子加速方案,具有小型化的优势,并且无需经过较长距离的传输,避免了传统粒子加速器在传输中的发散问题,因此受到人们的关注并获得了很多研究成果。激光与等离子体的作用过程和结果会受到很多参数的影响,并且存在复杂的非线性过程,难以用传统的理论手段研究,而极高的实验成本也让人们无法对各种参数组合都进行实验。面对这些困难,大规模数值模拟的发展为我们提供了新的研究手段,也促进了激光驱动的质子加速研究的快速发展。本文通过本单位自主开发的二维全相对论的粒子模拟程序“Opic”进行研究工作,对程序进行了必要的改进,研究了不同的等离子体靶结构以及不同的激光排布对质子加速效果的影响,主要分为三部分:1.我们首先介绍了激光驱动的等离子体质子加速的相关背景,包括激光和等离子体的基本物理性质,常见应用对质子束品质的要求,分析了质子束的主要加速机制、提高质子束性能的基本方法以及实验上的一些进展。接下来我们介绍了粒子模拟的主要概念和物理基础,Opic程序的主要计算过程,然后对Opic程序代码进行了必要的改进,使程序具备计算多束激光以一定角度从边界斜向入射的能力,并通过若干算例对修改后的程序进行了验证。2.我们研究了不同的等离子体靶结构对质子加速效果的影响。我们在激光与双层靶之间放置一片预等离子体,通过二维数值模拟发现激光在预等离子体内传播时,激光的有质动力会把激光经过区域的电子向外排出,形成一个电子密度较低的等离子体通道,而通道内的部分电子会在激光场的作用下被直接加速,形成一束具有周期性分布的电子束,当激光穿过双层靶以后,这部分电子也会跟随激光进入靶后区域,并驱动双层靶内的离子加速运动。与一般的鞘层电子相比,被激光直接加速的电子具有更高的密度和能量,从而在激光参数不变的情况下得到峰值能量更高,单能性更好的质子束。我们进一步发现,对预等离子体进行横向的密度调制,比如使用具有高斯密度分布的预等离子体,可以进一步提高质子束的峰值能量,并得出了质子束峰值能量与密度分布参数之间的关系。3.我们研究了不同的激光排布对质子束性能的影响。我们使用两束交叉入射的激光照射双层靶,通过二维数值模拟发现当激光照射在双层靶面时,激光会很快穿透双层靶,此时除了一般的鞘层电子加热过程外,还有一部分靶内电子被激光场直接加速。这部分直接加速的电子会影响靶后电场的分布,进而改变双层靶的形状。从模拟结果可以看出,双层靶出现了两个弯折结构,结构内包含较多的质子,对于合适的激光间距和入射角度,这两个弯折结构可以在一定时间内合并,形成一个聚集性良好的质子束,这样得到的质子束不但能量更高,也具有更高的粒子数量和更小的空间发散,有利于实际的应用。我们进一步分析了激光间距对加速效果的影响,发现除了前面模拟中设定的间距以外,还有一个间距下我们可以得到一个单能的质子片。