得益于转换效率高、光束质量好、结构紧凑、热管理方便、波长范围广等优点,高功率光纤激光器具有广泛的应用前景。当前,模式不稳定效应（Transverse mode instability,以下简称TMI）和受激拉曼散射（stimulated Raman scattering,以下简称SRS）是限制宽谱连续光纤激光功率提升的主要因素,但是,在光纤激光器设计过程中,大部分对于TMI和SRS的抑制方法存在着不可调和的矛盾,要实现对SRS和TMI的同时抑制,面临巨大挑战。基于此,本文提出了采用芯包比恒定的纺锤形增益光纤作为激光器增益介质,利用其大模场区域提高SRS阈值,利用其小纤芯区域抑制TMI,以提升光纤激光器的输出功率。因此,本文以课题组提出的芯包比恒定纺锤形增益光纤激光器为研究对象,对该激光器进行系统的理论和实验研究。首先,简要介绍高功率光纤激光器的发展现状,指出当前功率提升面临的主要挑战,介绍了芯包比恒定纺锤形增益光纤的基本结构与潜在优势。回顾了与芯包比恒定纺锤形增益光纤结构类似的锥形光纤在连续光纤激光器中的研究历程。其次,建立了单模和多模注入情况下,不同光纤熔接时熔点模式激发的理论模型,并编写了相关仿真程序,用于指导实际光纤激光器实验中的熔接。分别建立了包括放大的自发辐射（ASE）和SRS的纺锤形增益光纤激光器速率方程理论模型和纺锤形增益光纤激光放大器的模式耦合理论模型。对芯包比恒定纺锤形增益光纤中的SRS和模式演化进行数值仿真和优化,为实验上利用芯包比恒定纺锤形增益光纤抑制SRS和TMI,实现高光束质量激光输出提供了理论依据。最后,基于设计的芯包比恒定纺锤形增益光纤,对高功率纺锤形增益光纤激光器进行了详细实验研究。在国际上率先实现了近单模的3k W全光纤激光振荡器和光束质量M~2约为1.9的5k W全光纤激光放大器。理论与实验研究表明,芯包比恒定纺锤形增益光纤激光振荡器比普通纤芯直径均匀光纤激光振荡器具有更好的SRS抑制效果,有望兼顾SRS和TMI抑制、突破传统纤芯均匀光纤激光器的理论功率极限、获得更高功率的输出。论文相关研究结论为光纤激光器功率提升提供了重要参考。