固体中热量传递与转换的微观过程涉及到热载流子之间的相互作用,而微观的热载流子主要包括电子和声子。在微电子器件热管理和超快激光微加工等诸多工程领域,电子和声子在超短时间内的耦合过程扮演着重要的角色。然而,超快的非平衡热过程相关理论模型还有待完善,相关的实验数据也多集中于单层材料内部的情况,对于更接近实际情况的多层微纳薄膜情况研究甚少。因此,亟需开展相关的实验和理论研究工作。时域热反射（TDTR）实验系统具有较高的时间分辨率,常被用于超快时间载流子相互作用的研究。本文首先完成了对双波长TDTR实验系统的优化,通过脉冲激光压缩器将入射样品之前的抽运光束的脉冲时间宽度压缩,提升了实验台的时间分辨率。通过考虑金属薄膜非平衡传热过程中可能存在金属中电子与非金属中声子之间的耦合,对双温度模型（TTM）的边界条件进行了补充。其次,基于数值计算的方法研究了不同厚度Au膜的非平衡传热过程,并且系统研究了在考虑电子在界面上的热输运条件下非平衡传热过程的数值模拟结果所受的影响。之后,使用双波长TDTR实验系统完成了对Si、Si O2和蓝宝石基底上不同厚度Au膜和Pt膜的实验测试,并且结合数值模拟结果总结分析了各个因素对非平衡传热过程的影响规律。得到了Au膜和Pt膜的电子-声子耦合系数以及其与Si、Si O2和蓝宝石基底之间的电子-界面热导。进一步,通过考虑金属/金属界面的电子-电子散射,将TTM适用范围推广至双层金属膜的结构,之后基于数值计算的方法研究了金属/金属界面处电子-电子散射和声子-声子散射对双层金属薄膜电子、声子能量转换过程的影响,解释了第二层金属膜向第一层反向热输运的微观机理。使用双波长TDTR实验系统对Au/Pt/蓝宝石和Au/Al/蓝宝石双层金属膜样品进行测试,之后将实验信号与传热模型拟合,得到了双层金属界面由于电子-电子散射引起的界面热导。本文的研究成果为进一步准确揭示多层薄膜结构的超快非平衡热输运机理奠定了基础,并且对芯片热管理技术的开发和超快激光微加工提供了基础实验数据以及理论指导。