近年来,高平功率、高能量输出的激光器在社会各领域得到广泛应用,是当前激光技术领域研究的热点之一。在追求激光系统高平均功率输出时,固体增益介质的热效应问题就会显得尤为突出。为解决固体激光器的热效应问题,本文提出了一种新的激光器构型,该型激光器将固体颗粒(钕玻璃微球)规则排列在比色皿中,以钕玻璃微球作为激光增益介质,折射率匹配液循环流动。该构型激光器即继承了固体激光材料良好的激光性能,又具有液体激光器的可流动性,是目前效率最高的冷却方式。本论文首先论述了高能激光系统的国内外发展历程及最新的科研成果。然后基于四能级激光系统速率方程推导了激光器的输出功率、阈值及影响激光输出的相关因素,为下一步的实验打好理论基础。泵浦系统是激光器的关键部分之一,本文采用ZEMAX软件对泵浦耦合系统进行模拟仿真和优化,使泵浦耦合效率最大化。接着,结合LD泵浦源和钕玻璃微球物理参数,研究了增益区吸收泵浦能量后的温度分布情况。鉴于激光器的增益区在进行热分析时涉及到热学、流体力学和激光光学的知识,本文通过FLUENT6.3.26建立了微球阵列流场的热-流-固三维物理场耦合模型进行仿真分析,研究了钕玻璃微球阵列的温度分布与自身尺寸、匹配液流速、微球层数和泵浦频率的变化关系及其对波前畸变的影响。在实验阶段,重点研究了微球阵列激光器的理化特性。首先,制备了不同直径的掺Nd3+的玻璃微球和不同折射率的匹配液,测试了玻璃微球的折射率、吸收光谱、荧光光谱及匹配液的折射率温度系数,对各样本的耐溶性和光照稳定性进行了对比分析,验证了该构型增益介质用于高功率激光系统的可行性。然后,设计了能够实时监控液体压力和温度,具有高洁净度的循环系统,搭建了片状钕玻璃激光器和不同直径的钕玻璃微球阵列激光器的实验光路,成功地实现了流动循环条件下的激光振荡输出。在实验中系统测试了泵浦系统的耦合效率、微球阵列激光器的斜率效率和脉冲宽度,获得了微球阵列激光器的远场光斑,采集了激光器连续200次脉冲工作下的激光输出能量。实验数据表明,该激光器最大单脉冲能量为115mJ,峰值功率可达1.15KW。本文对于折射率匹配液冷却的掺钕玻璃微球阵列激光器的研究,为解决固体激光器的热管理问题提供了一种新的思路,对该构型激光器的发展起到了积极的促进作用。