热效应是制约大功率固态激光器输出功率与性能进一步提高的严重障碍,是激光技术发展的主要瓶颈之一。本文围绕大功率固态激光器热管理,通过解析解、数值模拟和实验研究相结合的方法,进行了系统深入研究,得出强化传热、降低发热器件温度、改善温度分布不均匀性、减小热效应、提高激光器输出功率和光束质量的有效措施与方法。针对侧面泵浦、侧面冷却的棒状激光工作物质,建立了冷却通道内对流换热、激光工作物质热传导与热应力物理数学模型。采用定热流条件下环形通道内对流换热问题的解析解/实验关联式确定流体温度的空间变化规律以及对流换热系数;由非均匀边界条件下的二维轴对称热传导模型推导出解析解;温度场级数的第一项与沿半径方向一维模型的解完全相同,级数的其余项表明工作物质中的纵向温度梯度与流体温升、径向毕渥数以及晶体棒长径比呈单调递增关系。然后进行了流固耦合数值模拟,并将数值模拟结果与解析解进行了详细对比分析;结果表明,理论解推导过程物理概念明晰,其解析表达式能够清晰反映出各种因素对温度分布的影响规律,能为温度控制和系统优化提供明确方向和理论依据,因而具有重要参考价值;流固耦合数值模拟方法由于不受复杂几何形状与边界条件、变物性等限制,能够更好反映流动与换热的入口效应,从而得到更符合实际问题的解,实际过程中两种方法应该相互结合使用,取长补短;在激光器设计中,可考虑将入口效应影响较为严重的激光棒端部排除在工作区域之外。进一步求出了工作物质中热应力与热应变分布的解析解。分析表明:在自由边界条件下,纵向温升对工作物质内部热应力分布的影响并不显著。然而晶体内部由温度场和热应力场共同作用形成的热应变场沿纵向有较明显的变化,将对晶体的光传输特性和光束质量造成一定影响。针对正交各向异性激光工作物质,建立了热传导与热应力物理数学模型。利用积分变换法分别推导了三种不同泵浦方式下激光工作物质内部温度分布的三维解析表达式,然后从三维温度场出发,基于平面应变假设,采用Airy热应力函数法推导了三种不同泵浦方式下热应力和热应变的解析解,并与各向同性介质的结果进行了详细对比分析。结果表明,晶体内部靠近中心的区域承受压应力,而靠近表面的区域承受拉应力;假定相同的总热负荷,并假设平顶泵浦光束的半径等于高斯泵浦光束的束腰,则平顶光束泵浦方式下的最高温度和最大热应力均低于高斯光束泵浦方式,而均匀泵浦方式下的热效应最小;在无外力及约束存在条件下,热膨胀系数的正交各向异性对激光工作物质中的热应变分量有着显著影响,而对热应力分量的影响较小。本解析解可适用于激光辐照下各种正交各向异性工作物质的热传导和热应力问题。针对DLA泵浦源Dh=0.333mm、Re =101-1775的矩形微通道内层流流动与传热,分别采用入口物性、平均物性和变物性进行了三维流固耦合数值模拟。在数据处理中也分别采用平均物性法和变物性法,并将不同方法下局部和平均流动与传热特性的计算结果与新近文献中的实验结果、常见关联式及近似理论解进行了详细对比分析。结果表明,与入口物性法相比,平均物性和变物性法均获得明显较低的f_app以及较高的h_z和N_uz;与平均物性法相比,变物性法在通道起始段具有更高的f_appRe_ave和较低的hz,而在后段具有较低的f_appRe_ave和较高的hz。Nu_ave的计算结果与Sieder-Tate关联式吻合良好,表明传统的宏观数学模型能够正确用于预测本文尺度和Re范围内微通道中的流动与传热特性。针对某DLA泵浦源现有水冷热沉存在的实际问题,设计和制作了一种单相液冷微通道热沉,采用细密短微通道来代替原较宽的长通道,提高了散热能力,改善了热沉加热面温度分布均匀性,同时实现了较低的流动阻力。在本实验最大流量G = 70ml/s情况下,微通道部分的压降只有10.3kPa;当热沉加热面的平均温升为25.7℃时,热沉的散热能力可达730W,相当于146.9W/cm²的界面热流密度;热沉总热阻为0.035K/W,相应于界面上0.199 K·cm²/W的单位面积热阻,足以达到设计的散热要求。选用更大功率的泵,实现更高的雷诺数,可以进一步降低热沉热阻,提高散热能力。此外,Shah和London的表观阻力系数关联式、Sieder-Tate的Nu数关联式以及Shah & London的Nu数关联式均与本实验数据符合较好。