提出了一种面向2.0 μm的新型异质螺旋包层结构的大模场单模光纤，基于坐标变换理论，采用有限元仿真技术，建立了三维螺旋光纤的二维仿真模型，分析了光纤的模式传输特性，得到了优化的光纤参数，使得基模传输损耗小于0.1 dB/m，高阶模传输损耗大于10.0 dB/m，单模芯径达66 μm，模场面积约为2360 μm²。当光纤弯曲时，螺旋狭缝宽度值减小到9 μm附近。螺距增加到26 mm、光纤弯曲半径最小为33 cm时，基模传输损耗为0.10 dB/m，高阶模传输损耗大于10.08 dB/m。所提出的螺旋结构大模场光纤的螺距较长，属于全固态结构，参数之间可相互协调，有利于光纤的制备和使用，模式分辨本领达到大模场单模光纤相关要求，有望在高功率光纤激光器中获得良好的应用。

通过在周期性梳状折射率结构的最外层增加一个高折射率平台的方法，对梳状折射率分布大模场光纤的波导结构进行了优化，使其在模场面积、模场分布及抗弯曲性能方面都有明显提升。模拟研究结果表明，与已有单一梳状折射率分布的光纤相比，优化后的大模场光纤的模场面积提高了700 μm2以上，且在相同弯曲半径下，基模弯曲损耗由6 dB/m降低为0.1 dB/m。此外，通过对最外层高折射率平台的参数进行调制可实现不同的模场分布，包括高斯分布、平坦化分布和环状分布，满足特殊激光加工工业的应用需求。

为了进一步提升光纤激光器的输出功率, 采用大模场面积掺铥光纤来抑制非线性效应, 利用非均匀布喇格掺铥光纤结构, 通过优化参量, 在满足单模传输条件下获得模场面积为719μm2的大模场面积光纤。基于此光纤建立了793nm波长抽运下大模场掺铥光纤放大器理论模型。由于大模场面积光纤能降低光功率密度, 抑制Stokes光功率, 因此该种光纤放大器在高抽运功率下相比普通单模光纤放大器能够得到更大的输出功率。结果表明, 当抽运光功率为100W时, 所设计大模场面积光纤与普通单模光纤相比, 转换效率提高5%, 达到40%, 输出功率达到41.01W。以上研究对于实际掺铥光纤放大器的设计有重要应用价值。

为了提高大模场面积光纤到单模光纤的耦合效率, 利用加热扩芯的方法, 对单模光纤进行了热扩芯处理, 实现了大模场面积双包层光纤15/130 μm到单模光纤6/125 μm的模式匹配。对进行热扩芯处理的模场匹配器的传输损耗进行了理论分析; 利用自行搭建的中心波长为1 064 nm的激光光源分别测量了商用及自制的模场匹配器的传输损耗。实验结果表明: 采用加热扩芯的方法极大地提高了大模场面积光纤到单模光纤的模场匹配器的模式耦合效率。与商用的模场匹配器相比, 自制的模场匹配器具有更高的耦合效率和运行功率, 其热处理能力更强, 可靠性也更好, 运行功率可以达到100 W; 在进行风冷的情况下, 稳定工作时间累计为120 min, 最终可以获得 73 W的单模光输出, 热处理能力为27 W。模场匹配器性能的提高满足了高功率光纤元器件发展的需要, 有利于实现光纤激光系统的全光纤化。

为了进一步探讨大模场光纤激光的模式控制方法，需要研究大模场光纤的弯曲特性。从亥姆霍兹方程出发，通过对比直光纤和弯曲光纤的模场分布，确定大模场光纤直弯过渡中的模场演变方式。应用模场的叠加和激发理论，推导得到光纤直弯过渡中的模场耦合效率公式。应用耦合公式和有限元方法，计算了阶跃折射率分布的大模场光纤在直弯过渡中的模场耦合效率。结果表明：在光纤的直弯过渡中，存在模式的自耦合和互耦合过程，耦合程度随着弯曲程度和模场阶次的变化而变化，其中基模的耦合效率始终最大，高阶模的耦合损耗大于低阶模。光纤的直弯过渡以总能量的损耗为代价换取对高阶模的有效抑制。

本文分析一种由两层低折射率孔组成的大模场光纤的模式特性.采用多极法和有限元方法数值计算并分析了内层孔与外层孔尺寸变化对光纤基模与高阶模的束缚损耗与弯曲损耗的影响，设计获得了一种具有较高的高阶模和基模损耗比同时允许一定程度弯曲的大模场光纤.结果表明：当内层孔直径为34 μm，外层孔直径为24 μm时，其基模束缚损耗为0.000 17 dB/m，而高阶模束缚损耗为1.39 dB/m；光纤的基模模场面积为2 150.9 μm2，当弯曲半径为1.2 m时，弯曲损耗为0.106 dB/m.

通过在多模光子晶体光纤的两端分别连接一根单模光子晶体光纤，对其选择合适的参数，形成一种可以实现低弯曲损耗、大模场单模传输的光纤传输系统。运用数值仿真，分析了该传输系统在模场面积、弯曲损耗、连接损耗等方面的特性。研究结果表明，多模光子晶体光纤与单模光子晶体光纤所组成的系统可实现有效的单模传输；工作波长为1064 nm时，多模光子晶体光纤在直波导状态时的基模模场面积可达1593 μm2；在弯曲半径低至10 cm时，多模光子晶体光纤仍然可以保持低损耗传输。经过对多模光子晶体光纤结构参数的优化，其与单模光子晶体光纤的连接损耗降低至0.085 dB。

增益导引折射率反导引(GG IAG)光纤的特点是纤芯的折射率比包层的折射率小，增益效应保证了模式在此波导中的传输，从而使得该光纤在单模传输的同时，模场尺寸较传统光纤大幅增加。总结了增益导引折射率反导引光纤激光器的研究进展。分别综述了国内外增益导引折射率反导引光纤的理论分析，包括弯曲特性、模式耦合特性、增益饱和特性和温度特性，以及掺钕、掺镱增益导引折射率反导引光纤激光器的实验进展情况。讨论了增益导引折射率反导引光纤激光器在高功率光纤激光中的现状及现阶段急需解决的问题。

报道了一种基于大模场光纤级联放大的全光纤高峰值功率纳秒脉冲产生系统。将单模光纤前端系统输出的10 ns、100 nJ任意整形脉冲输入由芯径15、30、140 μm的掺镱大模场光纤级联构成的光纤放大器放大，获得了能量3.2 mJ、峰值功率0.3 MW的整形纳秒脉冲。研究了该光纤系统极限输出能力，在高斯脉冲注入的情况下实现了光纤系统10 ns/7.2 mJ/0.7 MW高能量和1.16 ns/3.7 mJ/3.2 MW高峰值功率输出。