在固体激光器中,增益介质内部产生的废热是限制输出激光性能进一步提升的重要因素。从散热角度看,碟片结构具有高的表面积-体积比,有利于提高增益介质的冷却效果,削弱热透镜效应,保证轴向温度场的均匀分布。从生热机制看,采用1030nm激光作为泵浦源可将Yb:YAG激光器的量子亏损降低80%,在减小废热产生的同时,还能在增益介质内部产生反斯托克斯荧光制冷效应,进一步降低了热负载。因此,1030nm泵浦的Yb:YAG碟片激光器具有极低的生热量。由于Yb:YAG碟片晶体对1030nm泵浦光的单程吸收效率很低,如何提高碟片晶体对泵浦光的吸收效率成为研究重点。本文采用腔内泵浦和多程泵浦两种技术方案来提高Yb:YAG碟片晶体对1030nm泵浦光的吸收效率,并进行了深入的理论分析和实验研究。具体研究内容如下:（1）研究了Yb:YAG碟片晶体的生热机制,建立了低生热Yb:YAG碟片激光器的热负载理论模型。量子亏损是增益介质主要的生热因素,而反斯托克斯荧光制冷是唯一的制冷因素。分析了平均荧光波长和辐射跃迁效率对碟片晶体热负载的影响。降低平均荧光波长和提高辐射跃迁效率可提高增益介质的制冷效率,并降低激光器的热负载。提出了一维热传导温度迭代算法,为后续求解激光器运行时的温度特性奠定了基础。（2）对腔内泵浦的低生热Yb:YAG碟片激光器进行深入的研究。此时激光器的量子亏损低至1.69%,碟片晶体具有很低的生热量。建立了双碟片耦合的动力学理论模型,分析了两个碟片之间的自调制现象对输出激光时域特性和稳定性的影响。通过对腔内泵浦动力学理论模型的求解和实验研究发现,两个碟片上的光斑面积比值对输出激光的时域特性有很大影响。本文设计一种4f成像腔型,保证了两个Yb:YAG碟片晶体上的光斑面积比值不随碟片晶体光焦度的变化而发生改变,具有极高的稳定性,有效地抑制了输出激光的自调制现象,实现了腔内泵浦低生热Yb:YAG碟片激光器的稳定运行。（3）对多程泵浦的低生热Yb:YAG碟片激光器进行深入的研究。多程泵浦方案提高了输出激光的稳定性,并且具有效率高、生热量低等优势。分析了碟片晶体额外热负载的成因和元素种类,结果表明,碟片晶体侧边存在封装过程引入的Cu、In、Au和Ta这四种杂质元素。考虑到晶体额外热负载的影响,对低生热Yb:YAG碟片激光器的热负载理论模型进行了修正,并基于修正的热负载模型计算出低生热碟片激光器额外热负载和总热负载的精确数值解。在泵浦光斑尺寸1.8mm,泵浦次数32次时,激光器的额外热负载和总热负载分别是0.12%和0.8%,具有极低的生热量。（4）基于热负载理论模型和准三能级速率方程,本文对低生热Yb:YAG碟片激光器进行优化设计。分别从泵浦光泵浦次数和碟片晶体的厚度进行参数优化,并增大了泵浦光斑的面积。研究表明,低生热Yb:YAG碟片激光器的阈值特性与环境温度有重要联系。在泵浦次数为60次,碟片厚度为0.24mm,泵浦光斑尺寸2.6mm时,激光器的性能达到最优,实现平均功率6.32W,光光转换效率18.1%,斜率效率31.4%的基模激光输出,Yb:YAG碟片晶体最高热负载仅为1.05%,光束质量为Mx~2=1.137,My~2=1.139。考虑到功率标定定律,低生热Yb:YAG碟片激光器可以实现k W量级的激光输出。综上所述,本研究基于反斯托克斯荧光制冷的低生热Yb:YAG碟片激光器为高功率固体激光器的高效热管理开辟了一条新的道路,具有重要意义。