作为一种新型的气体激光器,半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)具有量子效率高、热效应低、光束质量好、高功率连续运转、无化学污染等优点,在激光冷却、材料加工、定向能量传输、医疗、国防和科学等领域有较大的应用前景。因此,深入研究激光动力学和流体动力学机制、探索能获得更大功率的泵浦结构、预测高功率泵浦下的温度分布和输出特性,对指引今后该类激光器的设计方向具有重要意义。本文首先提出了四种新型横向泵浦结构,包括横向四端、梯形、半环和环形LD泵浦。相较于以往的泵浦结构,它们能在蒸气池侧面排列更多的半导体激光阵列,以获得更大的激光输出。给出了这四种泵浦结构不同的蒸气池分割方法和相应的数值算法,用横向单端泵浦的实验参数进行模拟,分析了几种泵浦结构的输出特性。其次,在高功率泵浦下必须考虑碱金属原子的高能级跃迁(包括能量碰撞转移、光激发、电离和复合等)、放大自发辐射、饱和效应等,同时引入流动进行散热。在耦合速率方程与热平衡方程的基础上,建立起高功率泵浦DPAL放大器的基本模型,并提出了放大区域温度的简化算法。接着,提出了纵向泵浦DPAL放大器和横向单端、双端泵浦DPAL的三维温度模型,并给出了相应的三维泵浦光强、激光光强和温度分布的迭代算法。计算结果表明,高功率下只考虑恒定温度或者单一温度分布的假设是不充分的,考虑3D温度分布才能获得与实验相一致的结果。在此基础上,首次绘制了纵向泵浦放大器、横向泵浦激光器的三维温度分布。在考虑泵浦光和激光光强的径向分布和光斑半径的轴向分布(统称为“光束分布”)、以及温度的径向分布的基础上,耦合了功率的一阶ODE(常微分方程)与温度的二阶ODE,建立DPAL及其放大器的ODE模型。计算结果揭示了增益介质内平顶分布的、比受激辐射更宽的自发辐射区域,在一定程度上削减了激光输出。另外,计算所得的猝灭产热占比超过了弛豫,占总产热的一半以上。最后,综合考虑光强的径向分布和光斑半径的轴向分布,同时将速率方程、功率传输方程和三维热传导方程相结合,建立起碱金属蒸气激光器的含时温度模型。计算得到的含时功率和含时温度曲线与实验结果非常吻合,平均激光功率和最大温升与实验基本一致。在多脉冲泵浦模式下探索了实现更短热弛豫时间和更大输出能量的方法,并获得了重复频率高于100Hz的准连续激光输出。