作为激光领域的重要分支,光纤激光因其独特的性能优势与广阔的应用前景而备受关注,输出功率与技术突破日新月异。其中,激光功率和亮度的提升、以及光谱范围的拓展一直是高能光纤激光领域的重点研究课题。掺镱光纤激光发展较为成熟并已实现高功率记录,但其工作波段有限,同时功率进一步提升受限于受激拉曼散射与模式不稳定效应。另一方面,单一利用无源光纤中受激拉曼散射提供增益也可以产生高功率激光,即拉曼光纤激光器,与掺镱光纤激光器相比,不仅具有波长选择灵活、量子亏损低、无光子暗化、增益瞬时响应、无放大自发辐射等优势,而且能够在无源光纤中实现输出激光的亮度增强,具有高功率、高亮度光纤激光输出的巨大潜力。因此,本文以高功率、高亮度拉曼光纤激光系统为研究对象,从理论与实验开展研究,主要内容如下:对拉曼光纤放大器与振荡器的输出特性进行了理论研究。首先建立了拉曼光纤振荡器及放大器的理论模型,仿真分析了泵浦方向、光栅反射率、纤芯直径、种子功率等参数对功率演化的影响。对多模渐变折射率光纤与阶跃折射率光纤的功率分布情况进行了对比,验证了渐变折射率光纤中拉曼转换过程的光束净化效果。对单模与多模光纤拉曼激光系统热传导的理论模型进行系统分析,对比了激光器结构、泵浦方向、折射率分布等参数对光纤内热负载分布、温度演化及热致折射率变化的影响。本章中的理论模型及相关计算结果将对后续拉曼光纤激光的功率提升及热管理方案提供理论指导。搭建单模拉曼光纤放大器研究平台,通过系统的实验研究分析了输入光谱与时域特性对输出特性的影响。其中单模光纤为单一增益介质,同时采用不同波长的掺镱光纤激光器与可调谐放大自发辐射光源分别提供泵浦与种子光,通过不同的组合使用方式分别对泵浦光与种子光的时域稳定性、输入带宽、种子光的功率、拉曼频移量等参数的影响进行了系统的实验对比,验证提升拉曼放大器输出功率与高阶拉曼阈值的可行方案。基于本章的参数优化,最大获得了输出功率43.1%的提升,对应输出功率由99.5 W（1070 nm掺镱光纤激光器泵浦,3 d B带宽为0.16 nm）提升至142.4 W（1055 nm波长的放大自发辐射源泵浦,3 d B带宽为2 nm）。研究结果为高功率拉曼放大器的系统优化及功率提升提供了重要参考。利用多模渐变折射率传能光纤为增益介质,开展了高功率、亮度增强拉曼光纤激光研究。使用自研1018 nm与1060 nm掺镱光纤激光器提供泵浦与种子光,搭建了亮度增强的拉曼光纤放大器系统,获得了528.8 W输出功率,光束质量M~2因子由10.4提升至4.23,亮度提升倍数为3.85。随后,通过光纤长度、种子功率等参数的优化将输出功率提升至1002 W,M~2由9.17提升至5.06,亮度提升约2.57倍。进一步地通过整体优化放大器参数,先后获得了1.6 k W与2 k W高功率拉曼光纤激光输出。在2 k W高功率放大器中观察到光斑抖动现象,对此现象展开了系统的观测及计算分析,并与掺镱光纤激光中的模式不稳定现象的特性进行了对比。这是首次在渐变折射率光纤拉曼放大器中对输出横模不稳定的动态特性进行的观察和分析。为进一步获得信号光的光束质量提升,优化设计了自研泵浦信号合束器,最终获得了2034 W拉曼光纤激光,输出M~2为2.8,亮度提升11.2倍,为百瓦量级以上亮度增强拉曼激光中最大亮度提升倍数,及150 W以上渐变折射率拉曼光纤激光中的最优光束质量。基于紫外光与飞秒激光刻写的多模光纤光栅,开展了高功率拉曼振荡器及半开腔结构随机光纤激光器实验研究。实验中对多模渐变折射率光纤光栅的基模选择效果进行了验证,并对拉曼振荡器及半开腔结构随机光纤激光器输出特性进行了对比,包括前后向的输出功率、光谱、光斑形态、光束质量等参数。两种结构均获得了输出亮度的增强,其中振荡器最高输出功率为332.4 W,最高功率下M~2因子为2.7,亮度提升最高达到5.17倍。随机光纤激光器最高功率为306 W,当输出功率35.3 W时,对应光束质量M~2为1.76,在最高功率下,输出的M~2为2.35。功率增长过程中,亮度提升倍数也持续提升,最终亮度增强了6.1倍。对新型拉曼光纤放大器的功率及亮度提升进行了实验探索。研制了特殊三包层拉曼光纤及适配的功率合束器,搭建了包层泵浦拉曼放大器,获得了762.6 W功率输出,信号光的光束质量因子M~2由种子光的6.12提升至最高功率下2.24左右。在输出功率为267.2 W时,M~2达到1.9,为百瓦量级以上亮度增强的拉曼激光系统中获得的最好光束质量。另一方面,对高功率拉曼光纤放大器的热效应抑制方案进行了实验探索。由于热效应的影响,在2 k W量级拉曼放大器中出现横模不稳定,水冷等外部冷却方式无法改善其输出特性。为了实现更有效的冷却效果,对拉曼光纤被动冷却方案进行了实验探索。选用金属铝为涂覆层的特殊拉曼光纤搭建了拉曼光纤放大器,实现了良好的制冷效果。放大器最终获得了3083 W输出功率,在2.364 k W功率下输出M~2为3.12,在最高功率下输出M~2为5.72,对应的亮度提升倍数分别为9和2.9左右。该功率为目前国际上公开报道的纯拉曼光纤激光、及亮度提升拉曼光纤激光的最高功率水平。