Рассмотрена методика исследования теплового пограничного слоя, возникающего при нагреве металлической поверхности, находящейся в воздухе, основанная на методе лазерной рефрактографии. Описана методика моделирования траектории распространения лазерного пучка в тепловом пограничном слое нагретой поверхности, приведены результаты расчета смещения луча в неоднородности и угла выхода луча из неоднородности, позволяющие определить размер пограничного слоя и величину перегрева нагретой поверхности. Представлены экспериментальные изображения лазерного пучка при прохождении в пограничном слое нагретой поверхности. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных.