光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、结构紧凑、热管理方便、性能稳定等优势,成为激光领域的重要发展方向。窄线宽纳秒脉冲光纤激光在非线性频率变换、激光雷达和遥感等领域有重要应用,近年来受到人们的广泛关注。由于光学热损伤和非线性效应等物理机制,光纤激光的功率提升受到限制。为了获得更高功率的激光输出,一种方法是深入研究非线性效应等限制因素,通过系统优化和非线性效应抑制等手段提高单路激光输出功率;另一种方法是构建相干放大阵列,在保持高光束质量的同时提升输出功率。鉴于此,论文对窄线宽纳秒脉冲光纤激光及其相干放大阵列进行全面的理论与实验研究,主要内容如下:首先,研究了窄线宽纳秒脉冲光纤激光中的受激布里渊散射(SBS)、自相位调制(SPM)和受激拉曼散射(SRS)效应。基于光纤中的三波耦合方程,定量分析了脉冲激光的脉宽、重频、脉冲波形和光纤长度等因素对SBS阈值的影响;提出了“相互作用长度”这一概念来描述光纤中的SBS作用强度,理论和实验研究了SBS阈值与“相互作用长度”之间的关系;利用相位调制的方法补偿SPM引起的光谱展宽,并研究了SPM预补偿对SBS阈值的影响,研究结果表明完全补偿能够获得与脉冲种子光谱宽度相等的激光输出,但通常会降低系统的SBS阈值,过补偿能够在实现较窄线宽激光输出的同时获得高的SBS阈值。在非线性效应研究的基础上,对窄线宽纳秒脉冲光纤激光放大器进行了实验研究。开展了窄线宽纳秒脉冲光纤激光的功率放大实验,获得了平均功率为913 W的窄线宽纳秒脉冲激光,输出功率为国际先进水平;基于SPM预补偿实现了峰值功率为1.47 k W的单频、单模、线偏纳秒脉冲激光输出;提出了单频纳秒脉冲光纤拉曼放大器和双波长窄线宽纳秒脉冲光纤激光混合放大器;开展了窄线宽纳秒脉冲激光的拉曼放大实验研究,获得了31 d B的功率放大倍数。进一步,系统地研究了纳秒脉冲光纤激光相干放大阵列。首次定量分析了时域和频域误差对纳秒脉冲光纤激光相干放大阵列的影响,研究了相干放大阵列的关键技术:在光程差调节方面,发明了具有光程调节能力的多光束合束器,提出了一种利用被动光纤进行光程调节的方法;在相位控制方面,分析了激光脉冲特性对相位控制的影响,提出了不同重频的脉冲激光的相位控制方法,提出了一种用于大阵元相干放大阵列的分组主动相位控制方法。最后,设计制作了16路和32路的高速、高精度相位控制器,开展了纳秒脉冲光纤激光相干放大阵列的实验研究。在高重频纳秒脉冲激光方面,利用SPGD算法先后实现了两路200 W平均功率和五路800 W平均功率的阵列激光输出,利用单抖动算法进行了七路1.2 k W平均功率的相干放大阵列实验,输出功率等指标达到国际先进水平;在低重频脉冲激光方面,利用一种新颖的相位控制结构,实现了两路重频为5 k Hz的纳秒脉冲激光的主动相位控制。