近年来,直接液体冷却薄片激光器因其结构紧凑,换热能力强等优势逐渐受到人们的重视。本论文主要按以下三部分内容对其进行研究：基于折射率匹配液和Nd：YLF晶体的直接液体冷却薄片激光器千瓦量级输出的设计和实现；直接液体冷却薄片激光器的波前畸变研究；依据波前畸变特性及非稳腔理论分析计算,研究并实现数焦耳量级高光束质量激光输出。本文首先分析了直接液体冷却薄片激光器的设计要点。激光器中冷却液选用了与增益介质Nd:YLF折射率非常接近的匹配液。流道设计上,参考了低速风洞的设计,实现了流道内冷却液的层流,同时介质表面的对流换热系数达到1000 W/(m2·K)以上。为使每片增益介质的泵浦加载功率基本相同,介质选用了掺杂浓度从0.36at.%到0.76.at%的不同Nd:YLF晶体,并且晶体的装夹方式上采用了软装夹,经计算,相比于硬装夹,采用软装夹时增益模块所能承受的最大泵浦功率是采用硬装夹时的8倍。泵浦方式上,为简化结构采用端面泵浦,同时在端面泵浦耦合系统中加入金属波导实现泵浦光的均匀泵浦。流速和流道厚度的设计也至关重要,它们很大程度上决定了激光器所能承受的最大泵浦功率。采用10片a切割的Nd:YLF薄片,在流速5 m/s,流道厚度0.5 mm,泵浦功率5202 W时,实现线偏振激光1120 W输出,光光效率21.5%,斜率效率30.8%。据我们所知,这是首次采用折射率匹配液作为冷却液,Nd:YLF薄片作为增益介质,实现的最高功率输出的直接液体冷却薄片激光器。非稳腔的输出功率和光束质量受限于增益模块的波前畸变,因此采用层流模型对直接液体冷却薄片激光器的增益模块进行了热分析。发现冷却液的波前畸变占据模块波前畸变的主导地位,波前畸变可通过光程差函数进行表征,光程差函数可以精确的分解成勒让德多项式,除了低阶像差,模块的高阶像差也能通过勒让德多项式的特定项表达出来。分析可知,模块的高阶像差主要由两个原因造成,首先是冷却液的冷却不均匀,其次是由于增益介质边缘有一定的装夹区域,并未实现全口径泵浦。同时,分析了模块波前畸变的影响因素,研究发现采用均匀的泵浦,窄的流道,高速的流场能有效改善模块波前畸变。最后构建增益模块波前畸变实验测量系统,构造了不同的泵浦光均匀性,不同的流速,不同功率等,对其进行实验研究,实验结果和理论计算结果非常一致。在上述研究了波前畸变的基础上,建立了非稳腔的理论迭代模型,模型中同时考虑了模块的波前畸变以及增益效应,获得了非稳腔的自再现模。分别计算了放大率为1.3的传统非稳腔以及几何放大率为1.2,有效放大率为1.3的阶梯反射率非稳腔的自再现模。定义了非稳腔输出光的功率和光束质量,预测了采用阶梯非稳腔获得4.6 J,光束质量因子β沿x轴和y轴方向分别为7和4的输出。并指出采用阶梯反射率非稳腔能获得更高的输出功率和更低的出光阈值。实验中,选用了阶梯反射率输出镜作为非稳腔的腔镜,在泵浦光脉宽500μs,单脉冲能量20 J时,获得激光输出4J,脉宽450μs,重复频率为250 Hz,光光效率为20%,同时输出脉冲非常稳定。