电场强度达到相对论强度的激光脉冲与气体或固体相互作用时,可以在亚微米至厘米的尺度内产生能量MeV至GeV量级、脉宽飞秒至阿秒量级的电子束团。不同性质的电子束团可以在等离子体自生场、激光电磁场等不同尺度、强度的外场中偏转、振荡,产生多种具有独特性质的相干X射线辐射源,如脉宽飞秒量级的汤姆逊散射光源、脉宽阿秒量级的极紫外高次谐波源等。源尺寸极小的X射线源具有空间相干性,可以用于轻材料的相衬成像。具有时间相干性的X射线源具有极高的亮度,可以实现瞬态过程的单发动态探测。其中光子能量数十keV至数MeV的汤姆逊散射光源可以应用于轻材料的相衬成像、高Z材料的无损透射检测、激光-等离子体相互作用瞬态过程诊断及其他飞秒、皮秒尺度的超快过程探测、以及高Z元素同位素的核共振荧光激发研究等。高亮度的相干X射线源可以用于高分辨的材料全息成像、有机材料超快动态探测等。同时激光驱动产生的辐射源天然的与驱动激光时间同步,因此结合同一台激光器产生的汤姆逊散射光源以及阿秒脉冲源,可以建立时间分辨达到飞秒至阿秒量级的泵浦探测手段,为原子内部超快电子动力学、生物分子的辐照损伤机制研究、“空心原子”能量转移机制研究等基础科研领域提供前所未有的有力工具。基于激光聚变研究中心目前拥有的星光Ⅲ飞秒/皮秒/纳秒多路激光装置、SILEX-Ⅱ飞秒PW激光器、45TW重频激光器等多种激光装置,有希望建立超快辐射源综合探测平台,包含多路不同参数的超快辐射源,光子能量从极紫外至MeV可选,脉宽从飞秒至数十阿秒量级,且辐射源之间实现超高精度的时空同步。为了实现该目的,有必要对相关的辐射源产生机制进行探索,同时开展必要的实验研究。本论文主要介绍了在基于激光尾场加速的全光汤姆逊散射光源、基于纳米靶电子加速的相干汤姆逊散射光源以及基于固体靶高次谐波的阿秒脉冲源等三个方面开展的研究内容。在全光汤姆逊散射光源方面,使用蒙卡模拟工具开展了光源优化参数探索,获得了提高全光汤姆逊散射光源单色性和产额、降低发射角所需的激光和电子束参数,为后续的实验研究提供了参数优化的方向。实验研究方面,证实包含离化注入、冲击波前沿注入的混合注入机制可以极大的提升电子注入的稳定性,并结合级联加速设计,成功获得了稳定的中心能量60MeV的单能尾场电子。然后使用等离子体镜反射穿透喷气靶的激光,使其与尾场电子相互作用,并排除了干扰信号,成功获得了全光汤姆逊散射光源的信号,并对光源的能谱、产额、源尺寸进行了诊断。为了探索提高汤姆逊散射光源光子产额的途径,开展了相干汤姆逊散射光源理论和数值模拟研究,提出了一种相对论电子镜空间分布及能量调控方法:通过调节双层超薄靶间距,实现对相对论电子镜的空间分布以及电子能量的控制。通过解析模型以及PIC数值模拟,发现了在特定的电子层密度和电子能量下,高密度电子层与对向运动的激光的共振现象。并发现了一种通过在共振点附近调节激光的延时,选择性增强及抑制辐射能谱的方法。在固体靶高次谐波产生机制研究方面,使用PIC数值模拟研究了强相对论激光与纳米靶的相互作用过程,并深入分析靶上电子加速及其产生辐射的过程,提出了在靶上电荷分离场和激光电磁场共同作用下,纳米靶上电子的运动的三阶段模型。并通过研究纳米靶长度对电子初始状态及纳米电子束团形成过程的影响提出了一种基于多周期脉冲激光产生孤立阿秒脉冲的方法。