单频光纤激光器由于其具有线宽窄、噪声低、光学信噪比高、单纵模运转且波长稳定性好等优点使得其在相干光束合成、高精度光谱学、光纤传感、激光雷达等领域有着巨大的应用价值。尤其对于工作在980 nm波段的单频掺镱光纤激光器而言,通过非线性频率转换,能够轻松获得高质量的单频相干蓝光甚至深紫外光,同时也可以作为高性能的泵浦源替代传统的半导体激光器用于泵浦其他波段的稀土掺杂离子光纤振荡器和放大器。虽然通过采用分布式布拉格反射(DBR)结构的短腔激光谐振腔可以直接获得980 nm波段的单频激光输出,但是其单纵模工作温度区间往往只有几度,在外界温度剧烈变化时容易出现跳模甚至多模。且输出激光的强度噪声也需要进一步优化以满足一些尖端领域的需求。另外,单频激光短腔所采用的增益光纤长度往往只有厘米量级,这使得谐振腔直接能够输出的功率被限制在很低的水平,因而通常需要使用掺镱光纤放大器来进一步提高980 nm波段单频激光的输出功率。但是受限于掺镱光纤的能级结构,980nm掺镱光纤放大器中会存在极强的四能级自发辐射(ASE)和三能级重吸收作用,这使得实现高效的980 nm波段单频激光放大仍存在较大困难。此外,通过倍频980 nm单频激光可以获得性能优异的单频蓝光输出,但是其对于基频光功率有较高的要求,在低基频光功率下难以实现较高的倍频转换效率。针对以上存在的问题,本论文围绕978 nm波段单频光纤激光器和光纤放大系统的设计及其倍频应用进行了详细的研究,具体的研究内容和取得的研究成果如下:(1)分析模拟了在不同窄带光栅反射率情况下,978 nm单频谐振腔输出功率与增益光纤长度的关系,同时模拟了给定增益光纤长度情况下,谐振腔光光转换效率与吸收的泵浦功率之间的关系。并利用自主研制的高掺镱磷酸盐光纤,设计制作了中心波长977.73 nm,单纵模工作温度范围9.3℃,输出功率38.5 mW的单频种子源。最后通过进一步缩短谐振腔长同时利用半导体光放大器(SOA)和自注入锁定相结合的方式对单频谐振腔输出激光的强度噪声进行抑制,最终实现的超短腔低噪声单频激光器。其稳定单纵模工作温度范围超过15℃,输出功率大于200 mW,信噪比68 dB,线宽小于1.5 kHz。在1.8MHz-10MHz的频率范围内,输出激光的RIN为-150 dB/Hz左右,接近量子噪声极限。且在弛豫振荡峰处最大实现了43 dB的噪声抑制,另外在50 MHz的频率范围内均实现了不同程度的强度噪声抑制效果。(2)基于理论模拟仿真,对影响978 nm光纤放大器输出功率的关键因素进行了模拟分析,分别模拟了增益光纤长度,增益光纤纤芯包层直径和泵浦功率对放大器最终输出功率的影响。利用构建的978 nm单频光纤激光器作为种子源,借助SOA的非线性放大效应和商用大模场直径掺镱石英光纤,搭建了全光纤化的978 nm光纤放大器。实验对比了两种不同纤芯直径掺镱光纤的放大效果,并最终实现了输出功率大于10 W的全光纤978 nm单频激光输出,输出激光信噪比大于46 dB,弛豫振荡峰处的强度噪声值小于-108 dB/Hz。(3)利用经过SOA放大之后的978 nm单频光纤激光器作为基频光源,进行了周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体波导的倍频实验。通过使用光纤耦合的PPLN波导晶体,整个装置结构在保证全光纤化的条件下,获得了68 mW的窄线宽单频蓝光输出,对应的单程倍频转化效率高达30.3%,其功率稳定性为±1.5%,线宽小于15 kHz,输出蓝光的强度噪声在弛豫振荡峰位置处小于-110 dB/Hz。