半导体激光器的散热问题已成为制约其发展的瓶颈，与其它制冷方式相比热电制冷具有结构简单、体积小以及易与半导体激光器封装集成等优点。本课题采用热电制冷片冷却半导体激光器，解决热流密度为2.5104W/m2激光器的散热问题。在外界环境温度较高的情形下（如60℃），通过优化热电冷却系统的散热方式，使光电芯片的温度维持在需要的30℃-40℃。本文采用有限元分析与实验验证的研究方法，分析热电制冷片冷却半导体激光器的热动态变化。选择合适的热电制冷片，利用选择的热电制冷片的性能参数，进行有限元分析的参数设定和数值模拟。实验研究中用替代热源作为热负载，利用所选定的热电制冷片搭建实验台。主要研究内容从优化热电制冷系统的热端散热方式着手，分别考虑了热端无散热装置、自然对流和强迫通风三种散热系统对其制冷效果的影响。实验验证了模拟分析的结果，并且对两者进行了对比分析和误差分析。为了进一步研究分析热电制冷片在散热系统中的工作性能，分别分析了环境温度、热端换热热阻以及激光器外壳对热电片制冷能力的影响。结果表明，热电制冷片在用于激光器散热时不能够单独使用，必须在热端配置有增强热端换热的热沉。热电制冷片热端配置有翅片换热器和换热风扇的换热系统，能够满足此课题的热设计要求。热电制冷片性能分析表明，随着环境温度的升高热电片冷热端温度和冷热端温差升高，热电片制冷系数会下降。热端换热热阻的增大会削弱热电制冷片的制冷能力以及COP，而且得到了满足该散热系统的最大换热热阻为1.55K/W。