當高強度超快雷射與原子、離子或固體作用時，會產生頻率為入射雷射整數倍的高階諧波。透過雷射波形、靶材結構與相位匹配條件的設計，可將高階諧波延伸至極紫外光、軟 X 光，甚至千電子伏特的 X 光波段，並產生阿秒尺度的超短光脈衝。我們結合理論模型與數值模擬，研究高階諧波的微觀產生機制、巨觀傳播、相位匹配及時間閘控，發展高亮度、短脈衝的同調 X 光光源。 

高功率雷射聚焦於固體或氣體靶材後，能迅速加熱物質並形成高溫、高密度電漿。電漿中的離子躍遷與電子輻射可產生極紫外光及軟 X 光，涵蓋半導體微影所需的 13.5 nm 波段，以及適合生物成像的水窗波段。我們研究雷射能量沉積、電漿游離動力學、輻射輸運與光譜特性，並探討靶材、雷射參數及收光系統對輻射效率與光源品質的影響。 

超高強度雷射與薄膜、泡沫或近臨界密度靶材作用時，可在極短時間內形成強大的電荷分離場，將質子及重離子加速至高能量。我們研究靶後鞘層加速、輻射壓加速及多階段混合加速等機制，並利用粒子網格模擬與理論模型分析離子束的能量、能譜、發散角及轉換效率。相關成果可應用於高能量密度物理、材料分析、核反應與緊湊型粒子源。 

許多天文環境中的極端電漿現象，例如無碰撞震波、磁場重聯、粒子加速與湍流，可利用高功率雷射在實驗室中建立具有相似物理尺度關係的系統。我們結合雷射實驗、粒子網格模擬、流體模擬與資料分析，研究強磁場、高能量密度電漿中的集體行為，藉此理解宇宙射線加速、超新星遺跡、太陽活動及其他天文電漿現象背後的基本機制。 

高強度雷射可在極短時間內加熱或加速帶電粒子，使其達到核反應所需的能量。我們研究雷射驅動的氘–氘核融合與質子–硼核融合，包括團簇庫侖爆炸、泡沫靶能量耦合、離子加速及核反應產率。透過理論分析、數值模擬與實驗設計，我們評估不同雷射與靶材條件下的融合效率，並探索緊湊型中子源、核物理研究及先進醫療應用的可能性。 

高強度雷射或高能粒子束在電漿中傳播時，會驅動類似船尾波的巨大縱向電場，其場強可遠高於傳統射頻加速器。電子若在適當的相位被注入尾場，便能在極短距離內獲得高能量。我們研究尾場的激發、電子注入與加速機制，以及電漿密度結構對電子束能量、能散、電荷量和穩定性的影響，目標是發展緊湊型高能電子束與次世代輻射光源。 

真空電子學研究電子在真空中的發射、傳輸與能量轉換，廣泛應用於電子槍、微波源、真空二極體及高功率電子元件。我們著重於空間電荷限制電流、相對論性電子流及非傳統幾何結構中的電子傳輸，發展解析理論與數值模型，以理解電流密度、電位分布及電子動力學之間的關係，並為高功率微波、粒子束與微奈米真空電子元件提供理論基礎。