单晶光纤是一种介于传统体块状激光晶体与石英光纤之间的增益介质,制备出单晶光纤的原料通常是成熟的激光晶体,例如Yb:YAG、Nd:YAG、Ho:YAG等。单晶光纤一方面继承了传统光纤大长径比的优势,相比于传统的体块状晶体它对泵浦光有波导作用,提高了泵浦效率;另一方面相比于石英光纤,它具有更高的热导率,更小的非线性效应系数（SBS）,在理论上单晶光纤的极限输出功率更高。本文选择了0.2%,0.5%掺杂的Nd:YAG单晶光纤作为研究对象,晶体的尺寸是Φ1×40mm。从四能级系统速率方程出发,对Nd:YAG激光器中的出光阈值、工作效率、输出功率等关键参数进行了理论推导,初步分析了Nd:YAG激光器的基本特性。然后利用Tracepro对单晶光纤内的泵浦光分布进行了模拟,研究了晶体的尺寸形状、泵浦光束腰大小、以及泵浦光数值孔径对单晶光纤内泵浦光分布的影响,为后续的实验提供了指导。为了确保Nd:YAG单晶光纤激光器能够在高功率下稳定运行,本文在前人的基础上重新设计了散热方案,并摸索出了晶体散热封装工艺,以及晶体端面高精度抛光工艺。首先本文进行了Nd:YAG单晶光纤的连续输出实验,在实验中采用的是808nm与885nm两种泵浦源,以输出激光的最高功率、斜效率、光束质量为标准对比分析了在0.2%,0.5%两种掺杂浓度晶体中,泵浦源的中心波长,泵浦耦合比,平行平面腔与平凹腔对就Nd:YAG单晶光纤激光器的影响。在0.5%掺杂,885nm泵浦,使用平凹腔输出时,得到了26.1W的连续输出,对应的斜效率为62.3%,这是目前在Nd:YAG单晶光纤中最高的斜效率。在连续输出中,我们发现Nd:YAG单晶光纤具有非常高的斜效率,因此它对输出激光的增益非常高,于是我们利用Nd:YAG单晶光纤进行了ps放大实验。我们选用了一款国产的8ps种子源,为了得到更高的放大增益,本文把放大实验按照信号光在放大过程中通过晶体的次数分成了“单通”、“二通”、“四通”三个阶段。在“单通”中,本文研究了信号光与泵浦光束腰对放大性能的影响;在“二通”中,详细分析了把“单通”的输出光原路返回的方法,并且提出了凹透镜,凸透镜,高反平镜的组合返回“单通”输出的方法;在“四通”中发现由于Nd:YAG单晶光纤较高的增益,产生了显著的自发辐射放大（ASE）,由于本实验条件的限制,不能很好解决这一问题。其中在“二通”中,得到了平均功率最高11.8W的放大输出,对应21.1%的提取效率。并且在种子源重频为100k Hz时,得到了116μJ的单脉冲能量输出,脉宽为9.2ps,峰值功率为12.6MW,光束质量由放大前的MX2=2.8,MY 2=2.2变成放大后的MX2=2.4,MY 2=2.1。这也是目前用Nd:YAG单晶光纤放大器得到的最高峰值功率。