碟片激光器以其在结构、效率和光束质量上的重大优势,正成为高功率连续激光器和大能量、高平均功率、高重复频率超快激光器的重要发展方向,在工业、科学、军事等领域具有重要应用前景。当前碟片激光器的多冲程泵浦、高效换热和晶体的热致形变控制与补偿等关键技术的不足,限制了高功率碟片激光器的进一步发展。本论文基于2 kW连续输出的高功率碟片激光器,对限制高功率碟片激光器发展的关键技术所涉及的科学问题开展了系统的理论和实验研究。本论文首先介绍了高功率碟片激光器的研究现状,分析了影响高功率碟片激光器进一步发展的关键技术问题。在此基础上,利用ZEMAX光学设计软件,模拟分析了24冲程泵浦晶体上泵浦光斑的失调性规律;基于多孔泡沫与毫米通道相结合的冷却技术,研究了此技术用于高功率碟片激光器换热的热传递过程,设计了新型高效换热结构;基于碟片激光晶体热致形变控制与补偿技术,研究了碟片激光器在高功率泵浦下晶体的热致形变的机理;在以上技术基础上,优化设计了基于非稳腔的2 kW Yb:YAG高功率碟片激光器,并开展了实验研究。本文的主要研究内容和学术贡献如下:1、多冲程泵浦关键技术。首先,基于光线追迹理论,分析了多冲程泵浦结构下,晶体上泵浦光斑失调灵敏度的变化规律,确定了高功率下所采用的多冲程泵浦结构,并对其光学结构进行了设计;其次,基于朗伯比尔定律,对多冲程碟片激光器中,反射镜反射率、晶体厚度、掺杂浓度、入射角和泵浦冲程数对泵浦光的吸收效率进行了理论计算;然后,基于单位体积的阈值泵浦功率和准三能级速率方程,确定了维持50%以上光-光效率时,晶体上的最佳泵浦功率密度;最后,基于几何光学理论,分析了泵浦光斑在大角度入射时,晶体Y轴“拉伸”和光斑“尖角”的产生机理并给出解决方案。2、高效换热关键技术。首次将多孔介质材料引入到毫米通道热沉结构中,并基于多孔介质区域动量方程和多孔介质区域能量方程建立了换热物理模型,利用有限元分析法对多孔介质毫米通道的热沉结构进行了模拟计算和优化设计,计算表明,当多孔介质厚度为2 mm,孔隙率40%,进水压力4 kg（0.4 Mpa）时,热沉的换热系数达到1.51×105 w/m2·K,并进行了实验验证。结果表明,该热沉结构换热更加均匀,更有利于实现高功率泵浦。3、晶体的热致形变控制与补偿关键技术。建立了碟片晶体的热分析模型,分析表明:只有晶体厚度远小于直径时,晶体才可作为均匀泵浦体热源;增加晶体cap层厚度可有效降低碟片晶体内的放大自发辐射,并给出了晶体应变与cap层厚度的变化规律;给出了晶体的光热效应、光弹效应、热膨胀和弯曲形变在不同厚度的cap层下所引起的光程差的变化,并确定了晶体cap层厚度为1.5 mm厚时,晶体内的ASE效应得到有效抑制,且晶体内应变和光程差的变化最小。4、2 kW碟片激光器的实验研究。在对多冲程泵浦关键技术、高效换热关键技术和晶体的热致形变控制与补偿关键技术研究基础上,结合谐振腔理论设计了基于24冲程泵浦的千瓦级碟片激光系统,并进行了连续出光实验研究,获得了2011 W、光-光转换效率57.7%的连续激光输出。本文的研究工作为连续万瓦级碟片激光器以及高功率超快激光放大器的研制奠定了重要的理论和实验基础。