光纤激光器作为第三代激光器的代表,因其输出功率更高,应用领域更为广泛而迅速发展。但是随着光纤激光器的输出功率不断提高,高功率光纤激光器的发展出现了一些限制因素。其中非线性效应是限制激光器输出功率提升的主要因素,模式不稳定现象影响了激光器输出的光束质量。大模场面积光纤可以有效降低非线性效应,保持良好的单模传输可以提高光束质量,同时良好的抗弯曲特性有利于高功率光纤激光器的小型化和集成化发展。因此设计具有良好单模传输特性的抗弯曲大模场面积光纤可以有效推动高功率激光器的进一步发展。本论文的主要工作内容和创新成果如下:(1)明确有限元法的基本原理,介绍了三种常见的边界条件和弯曲等效模型。利用COMSOL软件对多层沟槽光纤(Multi-Trench Fiber,MTF)和传统瓣状光纤(Segmented Cladding Fiber,SCF)进行建模分析,将得到的仿真结果与前人结论对比分析,验证了有限元法的正确性和瓣状光纤完美匹配层的设置方式。(2)提出了一种双沟槽辅助扇形瓣状光纤结构(Double Trench-Assisted Fan-Segmented Cladding Fiber,DTA-FSCF)。与传统扇形瓣状光纤(Fan-Segmented Cladding Fiber,FSCF)和单沟槽辅助扇形瓣状光纤(Single Trench-Assisted Fan-Segmented Cladding Fiber,STA-FSCF)的性能相对比,在纤芯尺寸较大时,DTA-FSCF具有更大的模场面积和更好的单模操作性能。分析研究了DTA-FSCF中各个参数对光纤的弯曲特性和模场面积的影响,优化结构参数。在弯曲半径为20cm,工作波长为1.55μm的条件下,光纤的模场面积可达1096μm~2,最小高阶模和基模的损耗比大于100,DTA-FSCF具有良好的单模特性和大模场面积,且对弯曲方向不敏感。(3)分析了SCF的弯曲特性,研究了光纤瓣的数量、纤芯半径和占空比对光纤性能的影响,SCF具有弯曲方向不敏感的特性。通过优化结构参数,SCF在弯曲半径20cm,工作波长为1.06μm时,模场面积为704μm~2,最小高阶模损耗和基模的损耗比为20。(4)提出了一种像素化沟槽辅助型瓣状光纤结构(Pixelated Trench-Assisted Segmented Cladding Fiber,PTA-SCF)。与SCF相比,PTA-SCF在模场面积基本相同的情况下,具有更大的高阶模和基模损耗比。研究分析了PTA-SCF中各个参数对光纤的弯曲特性和模场面积的影响,优化结构参数。为了获得更大模场面积,调整光纤参数。在弯曲半径20cm,工作波长为1.06μm,纤芯半径为25μm时,光纤的有效模场面积可达914μm~2,最小高阶模和基模的损耗比大于100。