激光中继镜技术是一项备受各方瞩目的新型系统作战概念。光束在上行链路传输过程中，接收望远镜的截断和次镜的阻挡导致了严重的能量损耗，降低了中继镜系统的性能。涡旋光源和相位优化是提升激光中继镜系统上行链路能量效率的有效方法之一。以光源口径为1.2 m，上行传输距离为30 km，上行接收望远镜外径为1.2 m，内径为0.24 m的中继镜系统为原型，搭建了相同菲涅耳数的中继镜系统光束上行传输缩比实验装置，通过液晶空间光调制器反射调制NdYVO4光源的方法产生涡旋光源，并由随机并行梯度下降算法优化涡旋光源相位分布，开展了中继镜系统上行链路光束传输缩比实验研究。实验结果表明，通过采用涡旋光源和相位优化，中继镜系统上行链路能量效率得到了显著提高，由71.89％提升至91.59％。

提出了一种以高斯涡旋光束作为光源，实现中继镜系统上行链路能量损耗有效降低的新方法。计算了以高斯光束为光源的30 km高度中继镜系统上行链路能量损耗情况，结果是，系统上行链路的能量耦合效率为76.48％，接收望远镜次镜阻挡作用造成了主要能量损耗，阻挡损耗的能量占总能量的22.85％。分析了涡旋光束中心暗核大小及形态与光束参数的关系，结果是，暗核的形状由光束相位涡旋量决定，仅当光束相位涡旋量为2π整数倍时，暗核为圆形；暗核的口径大小分别随着光束相位涡旋量的增加和光束传输距离的增加而增加。计算了以高斯涡旋光束作为光源的30 km高度中继镜系统上行链路能量损耗情况，结果是，以高斯涡旋光束作为光源时，系统的能量耦合效率可达到97.25％，有效地降低了系统上行链路的能量损耗。

建立了以相干光束阵列作为光源的中继镜系统模型，光源相位分布由随机并行梯度下降算法优化控制；定义了上行接收光束强度分布不均匀影响因子并分析了上行传输过程的评价函数；在H-V5/7模型大气湍流条件下分别计算了以相干光束阵列作为光源和以平台截断光束作为光源的中继镜系统的上行传输效能。结果显示，利用随机并行梯度算法控制多光束相干合成实现中继镜系统光束上行传输，系统上行传输能量耦合效率和上行接收光束强度均匀性均得到了有效的提高。对10 km上行传输过程，系统评价函数由0.6730提升至0.8838；对30 km上行传输过程，系统评价函数由0.4266提升至0.8560。

光束上行传输能量耦合效率是中继镜系统的关键因素之一，通过利用随机并行梯度下降算法(SPGD)优化出射光束的相位分布实现接收光场的光束整形，提高系统的能量耦合效率。建立了双望远镜系统模型并计算了0.1～0.5 m双望远镜系统垂直传输10 km和30 km的结果。结果表明，通过整形，中继镜系统的上行传输能量耦合效率得到了有效的提高。