高功率高能光纤激光因其高效率、高品质、高可靠性、高调控能力以及结构紧凑等显著特点,在军事与国防、国家安全、工业加工与重大装备、科学研究与设施、医疗与卫生等重大领域具有极其广阔的应用前景。特别是基于光纤材料与结构的可设计性与可调控性,既为面向诸多重大应用的高功率高能光纤激光系统输出光场“全域”精密调控提供了必不可少的技术手段,同时也为持续提升输出光束品质奠定了必要的技术基础。对高峰值功率光纤激光系统,高品质输出基本要求之一是在高峰值功率条件下实现激光脉冲“全域”(包括时域、空域和频域)的精密调控,以获得严格单横模、高对比度、光谱精密可控的激光脉冲。对高平均功率高能光纤激光系统,高品质输出往往要求通过严格的模式调控扩大有效模场面积,以获得高稳定、高纯度、可传输的激光模式,从而提高系统输出能力和光束品质,满足相关苛刻的传输要求。传统的圆对称实心光纤因受限于非线性效应、热效应、光损伤以及调制不稳定性等多种因素,单纤单模输出能力难以进一步提高。为此,本文以有效提升单纤单模高功率高能光纤激光输出能力为牵引目标,开展了高功率高能光纤激光光场调控关键技术研究。论文主要研究内容包括以下三个方面:1.高功率高能光纤激光理论、受限条件与判据研究:系统地梳理了高功率高能光纤激光基础理论,分析、研究了限制单纤单模高功率高能光纤激光输出特性持续提升的五大受限条件,即选模能力受限、增益能力受限、能量负载受限、功率负载受限以及热负载受限,研究确定了各自的主要机理、基本规律与影响因素;提出了基于五大受限条件与特征参量完善高功率高能光纤激光系统物理设计的优化方法;分别给出了该方法应用于高峰值功率光纤激光系统和高平均功率高能光纤激光系统的基本要素。这部分内容主要体现在论文的第二章。2.高峰值功率光纤激光系统“全域”精密调控技术研究:针对ICF兆焦耳级激光装置ns级种子光源系统甚多束“零抖动”输出,以及时域、空域和频域高精密调控的基本要求,理论研究了高峰值功率条件下调频脉冲传输放大过程中的时域-频域演化特性,获得了单束高功率光纤种子光源系统优化设计的关键参数。提出了“密集时分复用、选组选束”的系统设计思想,完成了甚多束毫焦耳级光纤种子光源系统设计与相关实验验证;采用高对比脉冲产生、复合调频波导相位调制、幅频效应抑制以及单横模大模场光纤放大等关键技术,实验演示了脉冲能量1.02mJ@5ns,光谱宽度0.3nm,脉冲对比度优于500:1、幅频调制优于5.2%@3h的单横模高功率光纤种子光源系统输出,为甚多束高功率、高调控能力的光纤种子光源工程设计与研制奠定了坚实的技术基础。这部分内容主要体现在论文的第三章、第四章以及第五章。3.十万瓦级单纤高品质高能光纤激光总体技术途径探索研究:根据高能激光光源重大应用中束靶耦合与长程传输的基本要求,提出了环带光纤激光的基本概念以及基模面积大于10,000μm2的环带超大匀场模式光纤的概念模型;理论研究了环带超大匀场光纤内环半径和环厚度两个关键参量对其模式分布特性的影响与规律,证明了尽管随着环带模面积增加,模式数量也增加,但是都存在超大匀场基模;此外,研究了环带光束与环形光束之间的变换特性,结果表明通过合理设计光束变换系统,可以实现环带基模光束高效转换为有利于长程传输的环形光束。上述研究结果,为深化论证确定十万瓦级单纤高品质高能光纤激光总体技术途径提供了必要的科学依据。这部分内容体现在论文的第六章。