近年来，得益于固体激光器技术和啁啾脉冲放大技术的飞速发展，已经能够产生脉冲峰值功率达到PW量级，聚焦光强达到10<22>W/cm<2>的超强超短脉冲光束。由于其具有高出传统加速器百万倍的高强度电场，利用强激光中的超强电磁场加速电子，进而发展新一代小型化高能加速器已受到人们的普遍关注。由于超强超短脉冲激光场具有功率高、功率密度大、与物质相互作用时间短、光束衍射效应以及光束空间时间分布耦合复杂、光束质量难于控制等特点，在将其应用于电子加速时，强激光场的许多性质都需要进行针对性的研究。本文针对真空激光远场电子加速机制(主要是俘获加速电子加速机制(CAS))中的一些光学问题进行了理论研究。内容包括超短脉冲光束的矢量非傍轴传输、时空耦合效应对CAS电子加速机制的影响、以及相速度分布的验证与探测方法等。目的在于为基于真空激光远场电子加速机制的小型化高能加速器的设计和优化提供可行性判断和理论支持。本文主要进行了如下工作： 一、研究了超短脉冲光束在自由空间中的矢量非傍轴传输特性，得出了超短脉冲光束的矢量非傍轴修正公式，并且讨论了脉冲光谱特性对矢量非傍轴传输的影响。 由于在真空激光远场加速机制中纵向分量所起到的关键性作用，并且所用到的激光场一般都是时空紧聚焦光束，不能很好地满足傍轴近似，所以我们对超短脉冲光束的矢量非傍轴传输进行了详细的研究。我们讨论了紧聚焦脉冲激光光束中横向场和纵向场分量的关系，以及横向场的非傍轴修正和纵向场之间的量级比较．运用微扰法和角谱展开法推导了脉冲光束的矢量非傍轴修正公式。并基于修正公式系统分析了脉冲频谱特性对非傍轴修正和纵向场分量的影响。这些工作可以为真空激光远场电子加速中脉冲光束的设计和理论研究提供参考。 二、研究了脉冲光束时空耦合效应对真空激光远场电子加速机制(主要是CAS电子加速机制)中的一些参数的影响。 超短脉冲光束区别于长脉冲的最明显和最重要的一个特征是即使是在自由空间中传输，激光脉冲在传输过程中的时空耦合也会导致脉冲光束的形状改变。由于激光光束的传输性质会影响加速过程，因此在真空激光远场加速电子的过程中，激光光束时空耦合效应会对加速效果构成直接的影响．我们对时空耦合效应对于真空激光加速中的一些参数的影响进行了研究．结果表明，诸如相速度分布，纵向场分布，加速因子等参数都类似于连续波高斯光束情况．这使得应用脉冲高斯光束进行CAS电子加速成为可能。但时空耦合效应的影响，又使得脉冲光束的这些参数和连续波高斯光束有着一些区别。而当脉冲的半高全宽T<,FWHM>5T<,0>(T<,0>为载波振荡周期)时，时空耦合效应降低，这些区别也会变得很小以致可以忽略。此时可以采用简便的长脉冲近似来研究CAS电子加速过程。另外，虽然超短脉冲的超高峰值功率对CAS电子加速过程是非常有利的，T<,FWHM>5T<,0>时载波一包络相位对电子最大能量净增益的影响却也同时成为一个非常不利的因素。因此，为了将超短脉冲应用到CAS电子加速中，除了脉冲宽带放大、压缩等技术外，还对脉冲载波一包络相位的控制提出了很高的要求。 三、在聚焦光束中相速度亚光速区域的验证和探测方面，我们首次提出了利用二阶非线性光学效应来实现对聚焦光束中相速度分布进行探测的方法。 相速度是光学领域内最基本的问题之一。相速度小于光速的区域在诸多领域有重要意义。尤其是在CAS电子加速机制中，其根本性的物理基础是相对论电子所注入的激光场中要有亚光速区域。因此，实现对聚焦光束中相速度分布的验证和测量也就显得非常重要。过去传统的测量相速度的方法是直接对波失及其相位进行测量，但该方法不适用于聚焦光束中相速度分布的验证与测量。因为聚焦光束中的相速度不是均匀分布的并且不同位置之间的相速度差别非常小，比如对于束腰小到波长的10倍量级的光束，其相速度差别也仅在10<-4>c的量级。因此有必要探索新的、有效的方法以实现聚焦光束中相速度分布的验证与测量。 因此，我们提出了利用二阶非线性光学效应来实现聚焦光束中亚光速区域的验证和探测。并研究了以下两个方面的问题： 1)聚焦基频高斯光束的离轴和频产生过程； 2)平面泵浦光与聚焦信号光的差频过程。 在聚焦基频高斯光束的离轴和频产生过程中，我们发现最佳相位失配量会被离轴距离所影响，而这与相速度的非均匀分布有着紧密的关系。据此，我们得到一个最佳相位失配量和基频光相速度分布之间的直接关系式，并提出了一种测量高斯光束中相速度非均匀分布的方法。 而在平面泵浦光与聚焦信号光的差频过程中，我们发现，由于信号光的相速度不均匀分布，会导致差频光的图样演化。反之，由差频光的图样演化过程，也可以定性地知道信号光的相速度分布情况。根据这一特点，我们提出了利用平面泵浦光与聚焦信号光的差频过程探测信号光中相速度分布状况的方法．运用这一方法，不仅可以定性知道高斯光束中的相速度分布状况．还可以定性地知道椭圆高斯、拉盖尔高斯、厄米高斯等其它类型光束中的相速度分布状况．为CAS激光加速机制中光束结构的选择和设计提供了有用的参考依据．