高功率光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑、免维护等优点,具有广泛的应用。随着光纤的制造工艺和泵浦光源生产技术的迅速发展,目前掺镱光纤激光器得已广泛应用于工业加工、军事国防和光纤通信等领域。在光纤激光器应用领域不断扩展的过程中,全光纤激光器已向着更高功率、更加集成化的方向发展。在这个发展过程中,需要解决光纤激光器的热效应、反射和合束等关键技术难题,并实现工程化。本论文的课题来源于04国家科技重大专项——工业用高功率全光纤激光器的开发(No.2010ZX04013-052),针对当前高功率连续光纤激光器所面临的这些问题,开展了高功率连续光纤激光器的理论模拟和实验研究,实现重大专项项目对光纤激光器的要求,同时实现了高功率连续光纤激光器的工程化应用。本文的主要研究内容及得到的成果如下:1.分析了镱离子的能级结构和光谱特性,根据掺镱全光纤激光器的稳态速率方程,推导了光纤激光器功率分布的近似解析方程,通过Matlab模拟分析了光纤激光器的功率特性。根据端面泵浦光纤激光器的原理结构,结合线性结构中光纤激光器的边界限制条件,对光纤激光器的泵浦光和激光的功率分布进行了分析。同时,对侧面多点泵浦的光纤激光器进行模拟分析,多点泵浦的结构能够实现激光器功率在光纤中平坦分布。另外,在这种结构中,可以通过增加泵浦光的注入点数来实现更高功率的光纤激光器。2.结合理论模拟,对掺镱光纤激光器进行了实验研究。分析了级联耦合器的制作参数对光纤激光器性能的影响,结合实验数据和耦合器的制作标准,选择合适的级联耦合器搭建了高功率光纤激光器系统。在光纤激光器中,由于耦合器对反向抽运光具有隔离的功能,能够应用在后向抽运结构中,所以采用级联结构的耦合器搭建了双向抽运结构的光纤激光器。当975nm抽运功率通过双向抽运结构注入功率为1096W时,1080nm的光纤激光器功率输出为780W,该激光器的光-光转换效率达到71%。另外,在主控振荡功率方法的光纤激光器中,206W的中种子光通过546W的泵浦光被放大到635W,放大级的光-光转换效率78%。3.依据热传导方程,建立光纤热模型。优化光纤的处理工艺,设计光纤冷却装置,搭建端面抽运的光纤激光器,建设激光器产品生产线,并完成产品小批量生产及应用。采用水冷方式,在端面抽运的光纤激光器中,选择激光振荡器加一级放大的结构,成功实现1kW单模光纤激光器原理样机,当975nm的泵浦功率为1496W时,1080nm单模光纤激光器的最高功率输出达到1024W,光-光转换效率为68.5%。同时,考虑到激光器的散热和结构布局,采用前向端面抽运的方式完成多个输出功率为600W的1080nm激光模块的实验和封装,实现4kW高功率光纤激光器对激光模块的要求。根据激光模块的实验和封装,实现500W光纤激光器生产关键工艺的控制,实现500W光纤激光器的小批量生产。在500W光纤激光器的制作基础上,采用自主发明的特殊光纤光隔离和光剥除技术,设计在激光材料加工过程中能够抗反射的被动式防反射光纤激光器。在激光切割实验中,验证了该激光器在金属加工过程中能够长期稳定工作,并且在对铝、紫铜等高反射材料进行加工时同样可以完全稳定的工作。4.根据国家重大专项项目对激光功率合束的要求,对高功率的光纤合束器进行了研制。结合光纤拉锥的制作过程,模拟分析了锥形光纤的模场分布,基于光纤熔接/拉锥处理平台,采用石英玻璃套管法制作了7×1的光纤功率合束器。采用纤芯/包层直径为20/130μm,NA为0.08的大模场光纤为光纤合束器的输入光纤,合束器的输出直径为100μm,并且测得该合束器平均传输效率为93%。最后,采用7×1功率合束器对自主封装的600W激光模块进行合束,完成4kW高光束质量输出光纤激光器的研制。