高功率光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、热管理方便、结构紧凑、可柔性操作等优势,在智能制造、国防安全等领域得到广泛应用。目前数千瓦级以上的高功率光纤激光系统主要采用主振荡功率放大器(MOPA)结构,其中主振荡器一般为谐振腔结构光纤激光器。受自脉冲效应影响,谐振腔结构光纤激光器即使在连续光泵浦、无调制器件时也可能输出峰值功率较高的脉冲,诱发后级高功率光纤放大器中的受激拉曼散射等非线性效应,制约系统性能的提升。因此,本文以无谐振腔结构的高功率随机光纤激光为对象,开展理论与实验研究,主要结果如下:首先,介绍高功率随机光纤激光的发展现状,指出单级高功率随机光纤器输出功率的提升主要受限于高阶受激拉曼散射和四波混频效应,MOPA结构高功率随机光纤激光系统的性能提升主要受限于可获得的泵浦功率及模式不稳定效应。此外,采用谐振腔结构光纤激光泵浦随机光纤激光器时其自脉冲特性可通过拉曼增益过程传递至输出的随机激光,而超荧光光纤光源具有时域稳定的特点,有望用于泵浦高功率随机光纤激光器、抑制高阶受激拉曼散射、获得时域稳定的随机激光输出,因此还梳理了高功率超荧光光纤光源的发展过程及高功率输出的实现途径。其次,开展全光纤MOPA结构高功率超荧光光纤光源实验研究。构建半导体激光泵浦的全光纤MOPA结构超荧光光纤光源,实现1.01 kW、2.53 kW宽谱超荧光输出,最高功率条件下输出光谱半高全宽(FWHM)线宽分别为8.1 nm和6.3 nm,并分析了功率提升过程中的中心波长红移、光谱窄化现象;实现1.87 kW窄谱超荧光输出,最高功率时FWHM线宽约为1.7 nm,且功率提升过程中光谱无明显展宽,为其应用拓展奠定坚实基础;以上系统的性能进一步提升主要受限于可获得的泵浦功率和模式不稳定效应。首次采用同带泵浦技术提升全光纤MOPA结构超荧光光纤光源的输出功率,获得最高功率3.14 kW的超荧光输出,为国际公开报道的最高输出功率。在此基础上,开展超荧光泵浦单级高功率随机光纤激光器研究。首次提出基于超荧光光纤光源泵浦实现优质高效的随机光纤激光器的方法,并搭建超荧光泵浦的线偏振随机光纤激光器,获得中心波长1178 nm、偏振消光比达25 dB、时域稳定的随机激光输出;与含自脉冲成分的光纤激光泵浦的随机光纤激光器相比,采用超荧光泵浦时,激光器在光光转换效率、光谱纯度和输出光时域稳定性等方面具有突出优势;通过提升泵浦光源功率水平、优化无源光纤长度,在国际上首次实现百瓦级线偏振随机光纤激光输出;数值仿真结果表明,基于超荧光泵浦的线偏振单模随机光纤激光器,可以实现300 W级随机激光输出。采用窄谱超荧光泵浦半开腔结构随机光纤激光器,获得百瓦级、光谱纯度100%(测量信噪比32.67dB条件下未观察到其他成分光)的随机激光输出;数值仿真结果表明该随机光纤激光器可以实现500 W级随机激光输出。为进一步提升单级随机光纤激光器输出功率,对基于少模无源光纤的超荧光泵浦随机光纤激光器进行理论与实验研究,分析无源光纤参数对激光器包层模激发、四波混频效应、输出光谱纯度、功率提升潜力等特性的影响,给出高功率随机光纤激光器中少模无源光纤的优选方案,提出千瓦级随机光纤激光器的实现方法。进一步,采用全光纤MOPA放大器对随机激光种子进行功率定标放大,以获得更高功率的随机光纤激光输出。利用半导体激光泵浦的保偏光纤放大器对起偏后的窄线宽随机光纤激光进行功率放大,获得最高功率381.1 W的线偏振窄线宽随机光纤激光输出,最高功率时放大光FWHM线宽为0.13 nm、偏振度为92.33%,为国际上首次公开报道的线偏振窄线宽高功率随机光纤激光系统;性能提升受限于主放大器中的模式不稳定效应。利用线偏振光纤光源泵浦半开腔结构随机光纤激光器,并通过优化无源光纤型号和长度抑制激光器中的线宽展宽,首次实现随机光纤激光器直接输出线偏振窄线宽随机激光,获得FWHM线宽约88 pm、偏振消光比22.5 dB的种子光;利用半导体激光泵浦的保偏光纤放大器对种子光进行功率放大,获得最高功率1.01 k W、FWHM线宽0.21 nm、偏振消光比约17 dB、近衍射极限的线偏振窄线宽随机光纤激光输出,为目前国际公开报道的最高功率水平;系统性能提升受限于可获得的泵浦功率。采用量子亏损小、泵浦亮度高的同带泵浦放大方案对随机光纤激光种子进行功率提升,获得最高功率3.03 k W随机光纤激光输出,为目前国际公开报道的最高输出功率。最后,对脉冲随机光纤激光器的时频特性形成的动力学过程及调控方法开展研究。首次实现窄线宽脉冲随机光纤激光器,研究了激光器工作线宽对输出脉冲特性的影响,讨论了不同光谱成分的时序特性,探索了基于光谱滤波的脉冲品质提升方法。首次报道在反向泵浦半开腔结构随机光纤激光器中基于被动的增益时空调制获得稳定脉冲随机激光输出,并通过数值仿真揭示其动力学过程。利用宽谱超荧光泵浦基于普通无源光纤的全开腔结构随机光纤激光器,在受激布里渊散射效应的作用下实现纳秒脉冲随机激光输出,首次观测了随机光纤激光器中的光学怪波特性和阈值附近的局域化现象,并提出了有效的光学怪波特性的调控方法。