粒子加速器的出现是人类科学发展史上的里程碑,粒子加速器的发展也一直代表着人类探索物理本质的最前沿。然而目前传统加速器和基于传统加速器的同步辐射装置的发展却越来越难以跟上人类科学研究的快速步伐。近年来,激光技术的发展,尤其是超短超强激光技术的进步,推动了现代物理学中高能量密度物理领域的不断发展。人们在超短超强激光与等离子体相互作用中发现了新型的粒子加速原理:激光尾波场加速。相比于传统加速器,激光尾波场中的电子加速梯度可以高出3个数量级,能够将当前动辄长达数公里的大型传统加速器缩小到台面尺度,有望成为下一代TeV量级加速器的备选方案;也具备将需要利用高能电子的传统同步辐射装置小型化和实用化的潜力。然而基于激光尾波场加速产生的高能电子和辐射相比目前已经成熟的传统加速器和辐射源还有一定的缺点,有待科研人员的进一步深入研究。本文中,我们将就基于激光尾波场的电子加速和辐射产生过程,如电子能量提高、电子注入方式、辐射产生方案等问题给出自己的看法,希望将激光尾波场加速推向实用。本学位论文除绪论外主要包含以下两方面工作:第一部分主要研究激光等离子体尾波场中的电子加速过程。首先,我们将提出一种新的激光尾波场加速级联耦合方案。通过使用曲率渐变的弯曲等离子体通道作为加速器的过渡级,我们实现了激光脉冲传播方向的改变,并且保证了新激光在下一级直等离子体通道中传输时横向振荡和激光包络扭曲变形的最小化,借助电子束在等离子体中传输时自身激发尾波场对电子束的聚焦效应,该方案可以获得高效率高稳定性的级联耦合。在保证电子束品质的前提下,使已被前级激光尾波场加速的电子束再次获得加速,为未来制造TeV能量级别的激光尾波场加速器和对撞机奠定基础。接着,我们将研究空泡机制下激光尾波场中的边界层电子。我们观察到空泡边界层中的部分电子会获得较高的横向动量,并从空泡两侧横向出射离开尾波场。根据电子从空泡边界鞘层中分离位置的不同,我们区分出了三种边界波:在鞘层尾部越过中心轴出射的尾部波,在鞘层中部平行于激光传播方向向后出射的侧面波和在鞘层头部出射的弓形波。通过研究这些边界波中电子的动力学,我们发现使用光强较低、焦斑较大的激光和相对高的等离子体密度可以抑制高能边界层电子波的形成,从而提高激光尾波场加速中能量从激光脉冲向被加速电子束转化的效率。在此基础上,我们还将就如何应用具有一定能量的边界层电子提出自己的看法。最后,我们将研究驱动光与高相对论强度注入光作用下的电子注入和加速。我们观察到当两束光具有一定延时,无法发生直接碰撞时,依然能获得准单能的高能电子束。进一步分析后,我们发现此条件下存在尾波碰撞引起的电子注入,并且延时的微调会导致背景电子注入电量受所处尾波场相位的影响发生变化。同时该尾波场碰撞机制也具备了作为新型的诊断方法对尾波场的结构进行探测的潜力。第二部分重点研究激光尾波场中可调谐的电子辐射。首先,我们提出了激光在等离子体通道中偏轴或倾斜入射时,会由于被加速电子的横向振荡产生类同步辐射X射线。这种振荡的频率和幅度均不随电子能量的增加而变化,与通常的betatron振荡不同而更接近电子在同步辐射光源中的运动方式。此方案中只要改变激光入射参数和等离子体通道的参数就能改变电子振荡的周期和幅度,从而调节产生X射线的辐射区域、辐射频谱等性质。通过高维粒子模拟将上述方案推广到更一般的三维情形后,我们发现当激光入射波矢方向与等离子体通道中心轴异面时电子的振荡轨迹将变成螺旋形并在远场产生中空的椭圆或圆形辐射分布。由于螺旋运动中电子的横向速度方向在不断发生变化,因此会辐射出在不同方向偏振的光子。模拟中我们能够在辐射接收面上的不同位置得到不同偏振的辐射,也能通过改变激光的入射参数调整辐射的偏振方向。最后,我们研究了激光尾波场加速器产生的高能电子束与高相对论强度散射光发生的汤姆逊散射。通过数值模拟对高阶非线性汤姆逊散射实验进行了理论分析,确认了高阶多光子汤姆逊散射的阶数,并揭示了远场辐射菱形的分布特征来源于电子束与激光束的空间匹配效应。