为保证激光器输出光束质量,必须将激光反射镜的反射面热畸变降低到允许范围内。主动水冷方式是抑制反射面热畸变的主要手段。但随着高能激光器的发展,常规水冷镜的结构形式已经难以满足针对大口径腔镜越来越高的要求。因此,有必要对高使役精度的大口径水冷镜进行研究。本文首先使用有限元方法对直流道水冷镜的常规结构进行分析,提出了镜体结构关键设计尺寸的设计原则。在单流道简化模型的基础上,研究出一种基于温度更新的计算方法,使用这种方法计算得到的温度场分布结果无论在趋势上,还是在数值上都与计算流体动力学(CFD)数值计算结果相差无几。随后,对直流道水冷镜的常规结构进行优化,设计出一种新型优化结构,可在流道换热能力有限的条件下,将镜面热畸变控制在较低的水平。对于大口径直流道水冷镜流阻大、散热不均的问题,本文又提出一种具有交指型流道结构的水冷镜新构型。针对新构型流场结构特点,从理论上推导出其设计准则。通过建立流热固耦合分析模型,对Φ150 mm水冷镜反射面的温度场和热变形进行了研究,并分别在总流量和总压降恒定两种条件下,将新构型与常规结构的性能进行了对比。数值模拟结果表明,新构型各冷却流道换热系数的一致性较好,当总流量恒定时,其镜面最大热变形相比直流道水冷镜下降约1/3,而x和y方向上的变形峰谷值则分别减小40%和60%。另外,新结构的流阻很小,在恒定压降条件下,可获得3倍于常规结构的冷却水流量,在降低镜面变形方面的优势更为显著。这为解决大尺寸激光镜的热变形问题提供了一个可行方案。为验证使用CFD数值方法分析Φ150 mm新构型流场的有效性,设计了通水实验以测试压力和流速。通过对比实验结果,可以认为数值分析结果具有足够的准确性。本文的研究内容为研制高使役精度的大口径激光水冷镜提供了可行的设计方案,后续还要对其制作工艺进行深入研究。