高功率高亮度光纤激光系统在国民经济和军事方面有着重要的应用价值。然而,光纤激光系统受泵浦亮度和材料器件限制,同时也受受激拉曼散射（SRS）、模式不稳定（MI）、受激布里渊散射（SBS）等非线性效应影响,难以获得10 kW以上的高功率输出,也难以同时获得高光功率、高光束质量和窄线宽的高功率高亮度输出,限制了其应用潜力。本论文基于对掺镱光纤激光系统的理论分析与创新设计,结合材料器件技术的突破,突破了单纤系统受限因素,有效提升了单纤系统输出功率,实现了高功率高亮度输出。主要包括以下内容:1.开展了 LD直接泵浦的单纤激光系统研究。基于热负载模型,分析了高功率单纤系统不同芯包比增益光纤、核心器件的热负载能力,结合单纤系统端面泵浦耦合能力分析,创新地提出了基于30/900 μm大包层直径增益光纤和级联泵浦耦的合结构设计,有效降低单纤系统热负载,同时大幅提升可耦合进入光纤的泵浦功率,制备获得了设计所需的增益光纤材料和级联泵浦耦合集束器,首次采用国产光纤器件实现单纤大于10 kW输出。2.进一步突破亮度受限因素,开展高亮度同带泵浦单纤激光系统研究。建立了泵浦亮度模型,提出采用1,018 nm高亮度光纤激光泵浦单纤输出20 kW的方案解决单纤更高功率输出时面临的亮度受限问题,并完成了1,018 nm高亮度同带泵浦源优化设计。结合光纤激光器速率方程组与拉曼效应耦合方程,模拟分析了 20 kW单纤系统总的SRS演化规律,综合热负载、SRS抑制能力以及实际所需光纤制备水平,提出采用大芯径50/400 μm主放增益光纤结合级间SRS滤波光栅抑制SRS的20 kW单纤方案。完成1,018 nm泵浦源和大芯径主放光纤的制备,首次实现基于国产光纤材料器件的单纤系统大于20 kW输出。3.以提升单纤系统输出亮度为牵引,开展复合功能单纤激光系统研究。建立了复合功能光纤的稳态速率方程和光场耦合模型,优化了设计。自主开展了复合功能单纤的制备与测试筛选,首次基于自主研制的复合功能光纤实现了13.75 kW的输出,刷新了国产复合功能单纤的输出功率纪录。4.开展了新构型高功率高光束质量单纤以及高功率窄线宽高光束质量单纤激光系统研究。分析了光纤激光系统的抗反射技术,创新提出一种“振荡+放大一体化”的抗反射单纤激光系统新构型设计,建立了其功率演化模型,结合MI模型和SRS模型,给出了其满足高亮度输出的设计,实现了 3.7 kW单模输出。建立了增益光纤SBS阈值模型,结合SRS和MI阈值分析结果,完成了高功率窄线宽单纤激光系统设计,实现了 3.7 kW、0.3 nm窄线宽的单模输出,达到当时的最高水平。