光纤激光器以其结构紧凑、效率高、光束质量好等优异性能,在通信、工业、军事等领域得到了广泛的应用。光纤激光器输出功率的进一步提升面临着巨大的挑战。一方面,单模光纤激光器的输出功率存在理论上的极限,另一方面,热效应、非线性效应和横模不稳定性严重限制了单模光纤激光器输出功率的进一步提升。这些关键问题导致了对功率提升技术的迫切需求。本论文对目前高功率光纤激光器功率提升的局限性进行了深入分析,设计用于高功率光纤激光器性能提升的大模场光纤,详细讨论了光纤结构及光纤材料对激光模式特性和放大特性的影响,并重点研究大模场有源光纤的热效应对激光特性的影响以优化高功率大模场光纤激光器的性能。论文的主要研究工作及创新点如下:1.设计并搭建了主振荡功率放大结构的全光纤高功率窄线宽光纤激光器,对光纤激光器的激光性能进行了理论和实验研究。理论研究表明,对于支持两个LP模式传输的大模场掺镱光纤,将其盘绕至弯曲半径为5cm用作放大级增益光纤时,可以将10W的种子光放大到981W,且呈现单模传输。在实验中采用约5.0-5.2cm的弯曲半径对大模场掺镱光纤进行盘绕之后作为放大级增益光纤,可获得1000W单模激光输出,输出激光最大线宽为0.253nm,掺镱光纤的最高温度为64℃,光束质量M~2=1.17,实验结果与理论结果基本相符。由于线宽窄、光束质量优以及稳定性好,所设计的千瓦窄线宽光纤激光器可以用于光束合成和非线性频率转换。2.设计了一种大模场瓣状包层有源光纤,对该光纤在热效应下的模式特性进行了研究。研究发现,在高功率泵浦光的作用下,大模场瓣状包层掺镱光纤的稀土掺杂区域将成为激光器的热源,其产生的热量可以通过热光效应改变初始折射率分布,使得掺杂区域的折射率呈现抛物型分布,从而导致光纤传导模的模式特性随热负载的大小进行变化。当热负载从0W/m增加到50W/m时,LP01模的模式损耗可降低至1×10-12d B/m量级,对应的有效模场面积则缩小了约26μm~2,而高阶传导模的模式损耗变化与模瓣分布相关,模瓣与瓣状包层低折区域对称的高阶传导模,其模式损耗受热负载的影响较小,而其它高阶传导模的模式损耗则下降数十倍。在热效应作用下,通过与传统的大模场阶跃型有源光纤进行对比,说明了瓣状包层有源光纤有利于抑制高阶传导模的功率放大,可进一步提高基模激光的放大效率。3.采用大模场瓣状包层有源光纤设计一种高功率光纤激光器,通过建立激光器模型对激光放大特性进行了研究。研究结果表明,热负载在大模场瓣状包层有源光纤的纵向分布受泵浦方式的影响。在2000W的泵浦功率作用下,采用前向泵浦时,瓣状包层掺镱光纤产生的热量主要集中在光纤前半段（非输入端面）,最大温升约45K,较小的温升可以降低对光纤激光器散热的要求;采用后向泵浦时,瓣状包层掺镱光纤产生的热量主要集中在光纤的输出端,光纤输出端的最大温升高达81K,热量集中在光纤输出端是有利于抑制高阶传导模在传输过程进行功率放大的。当通过盘绕光纤实现激光器单模工作时,相对于采用传统阶跃双包层有源光纤搭建的激光器,采用大模场瓣状包层有源光纤搭建的激光器具有更高的光束质量及单模传输效果。4.为了提高光纤激光器热管理能力,基于有源光纤热负载纵向分布的非均匀特性,对大模场瓣状包层有源光纤的纵向结构进行优化,设计了一种具有锥形结构的大模场瓣状包层有源光纤,并采用不同锥形结构的瓣状包层有源光纤设计光纤激光器,对其放大特性进行了研究和分析。研究发现,当信号光与泵浦光同在小芯径端输入锥形光纤进行功率放大时,凹面锥形瓣状包层掺镱可以更有效的抑制高阶传导模的功率放大以实现激光器的单模传输,有利于保持激光器较高的放大效率及光束质量。而当信号光与泵浦光同在大芯径端输入锥形光纤进行功率放大时,凸面锥形结构不仅能提供更大的有效模场面积以缓解高功率激光放大时所产生非线性效应,而且能够有效的降低有源光纤中的热负载密度,这表明基于凸面锥形有源光纤的激光器具有更优的散热能力。5.突破传统熔融石英作为光纤材料的限制,采用非熔融石英材料作为光纤包层材料,设计了一种具有大模场面积的单轴晶体包层光纤。推导了采用单轴晶体磷酸二氢钾（KDP）作为包层材料时的光纤弯曲等效折射率公式,并研究了该单轴晶体包层光纤的弯曲模式特性。研究结果表明,相对比熔融石英包层,KDP包层具有更大的弹光效应,这使得KDP包层光纤在实现单模传输时的有效模场面积比传统石英包层光纤的大,因此KDP包层光纤可以更有效地缓解弯曲引起的模场面积压缩和光斑变形,保持较高的光束质量。此外,在采用弯曲滤模的方式来实现单模传输时,相对比传统石英包层光纤,采用KDP材料作为光纤包层可以有效的缩短光纤的单模传输长度。更大的模场面积以及更短的单模传输长度均有利于抑制激光高功率放大过程所产生的非线性效应。