单模掺镱双包层光纤激光器是一种结构紧凑的衍射受限器件,使用激光二极管泵浦其输出功率可达100k W以上。在实际应用中,高功率激光器的功率增长受到热效应的限制非常严重,主要原因是激光粒子从吸收带向上能级转换的过程中,由于泵浦光和激光之间的能量差,被吸收的泵浦光以热量的形式沉积在石英基质中。稳态下光纤生热和冷却的过程会影响其温度分布的均匀性,在纤芯和内外包层之间形成温度梯度。在泵浦功率较高时,这种温度梯度会带来许多不利影响:一方面使得激光器的量子效率降低,另一方面纤芯中发生弹光效应,光纤的热应力过大而导致光纤断裂,进一步恶化光纤激光器的性能。本文以掺镱双包层光纤放大器中的增益光纤为研究对象,从光纤的生热机理出发,提出了光纤在多种封装结构中的热阻模型,建立了光纤放大器的热学性能测试平台,围绕光纤的散热和温度均匀性展开分析,并进行了微通道散热器的拓扑优化,具体工作内容如下:（1）针对4.40～31.07W增益光纤的热效应,建立了光纤与单层基板封装后的热阻模型。首先应用该热阻模型求解了光纤与散热器表面的温度分布,接着分别用数值模拟和实验对热阻模型进行了验证,最后分析了盘纤方式对光纤温度的影响。结果表明,这种热阻模型可以准确地预测增益光纤与单层基板封装后的温度分布,在光纤激光器热设计初期需要优化盘纤方式增加光纤温度分布的均匀性。（2）针对26.3～212.0W增益光纤的热效应,设计了一种内部带有水通道的基板对大功率光纤激光器进行冷却。首先建立了光纤与带水通道的基板封装后,基板上表面增加对流换热前后的热阻模型。接着用实验验证了基板内部有强制对流换热时,光纤上两个测试点的温度值。然后用数值模拟验证了上表面对流换热系数分别为1、5和15W/m~2·K时,两个测试点的温度随下表面有效对流换热系数变化的趋势。最后应用热阻模型获得了基板上下表面均有对流换热时光纤轴向的温度分布。结果表明,这种热阻模型能够准确地预测增益光纤与带水通道的基板封装后光纤的温度分布,在光纤激光器热设计时需要结合盘纤方式优化基板结构,避免出现光纤温度峰值集中的区域。（3）针对3000W增益光纤的热效应,设计了一种双层复合基板对高功率光纤激光器进行封装。当双层基板之间为理想接触时,建立了增益光纤与双层基板封装后的热阻模型,并用数值模拟对解析结果进行了验证,接着应用这种模型分析了基板厚度、导热系数和位置对光纤温度分布的影响。当双层基板之间为非理想接触时,建立了增益光纤与双层基板封装后的热阻模型,并用数值模拟对解析结果进行了验证,接着应用这种非理想接触的热阻模型分析了基板为各向同性和正交各向异性材料时,其厚度和界面换热系数对光纤温度分布的影响。结果表明,这种复合材料系统的基板结构有利于光纤温度分布的均匀性,其热阻模型可用于扩展分析更复杂的光纤封装结构。（4）针对增益光纤的散热和均温问题,介绍了需要进行优化设计的散热器模型,假设流体在平面内流动,将三维散热器简化为二维平面结构,给出了优化过程中的控制方程。接着基于密度法的材料插值模型,建立了材料属性与设计变量之间的关系,构建了拓扑优化过程中散热量最大化和压力损失最小化的双重目标函数。然后应用移动渐近线法求解了拓扑优化目标函数,讨论了四种参数对优化结构的影响。最后应用数值模拟的方法对拓扑微通道散热器的性能进行了分析,结果显示这种散热器的流动换热和均温性能优异,散热器下游的对流换热条件要好于上游,将增益光纤峰值温度比较集中的区域布置在散热器下游,有利于缩小光纤之间的温差最终实现光纤温度的均匀性。