中继镜系统是安放在空间平台上的光学系统,该光学系统接收地面发射来的激光,同时对其进行校正,然后根据需要将其重定向到另一位置。由于中继镜能够提供合作的信标光,可以减少近地面稠密大气对激光传输的影响,避免障碍物的遮挡,因此被认为是拓展激光空间传输的有效手段之一。本文首先在已有关于高能激光系统中继镜的研究基础上,对中继镜光学系统的结构,各光学子系统的功能及其可能连接方式进行了研究,并在此基础上设计了中继镜系统光路,说明了激光在中继镜系统内的耦合和净化过程。然后在中继镜系统光路基础上分别研究了真空和大气条件下激光通过中继镜的传输与变换特性,分析了湍流像差对中继镜校正能力的影响。最后结合理论研究结果对激光通过中继镜的传输和变换进行了计算机模拟。通过对真空条件下激光中继镜传输的研究表明:当第一个焦平面的孔径很大时,聚焦的光束不能够二次聚焦;当第一个焦平面的孔径较小,聚焦后的光束可以再聚焦。但当菲涅耳数较大时,激光中继镜传输不宜用二次聚焦的方式。另外,由于中继镜相对初始发射激光的位置是固定的,而目标的位置是变化的,一个固定口径和遮拦比的中继镜不可能与一个不断变化的光场始终吻合,因而,初始激光也不宜用直接聚焦的方式发射。在菲涅耳数较大的区域,准直传输具有较高的耦合效率,对本文涉及的问题,由于菲涅耳数较大,因此初始激光准直发射是最佳的发射方式。在菲涅耳数较小的区域,接收和发射间有一个最佳的菲涅耳数,此时地面发射望远镜和中继镜接收望远镜间的耦合最好。由于相干合成是提高激光发射功率的有效手段之一,因此在考虑大气湍流的影响下,研究了传输距离、发射孔径和波长对完全相干多高斯光束上行传输的影响,获得了平均光强与传输距离、发射孔径、湍流强度和波长的解析关系。通过对空心高斯光束在斜程湍流大气中的传输特性研究,得到了中继镜的接收效率与光学系统参数、折射率结构常数和激光特性参数间的关系式;在综合考虑湍流、热晕和自适应光学校正的情况下,分析并比较了1.06μm、1.315μm和3.8μm三种波长激光传输到中继镜的光斑扩展,建立了激光上行传输的光斑扩展与发射功率和波长的关系,说明在大气环境下,初始激光准直发射的可行性。为了分析光束净化系统对相位畸变的校正能力,本文研究了控制带宽、Fried相干长度对校正能力的影响,分析了不同阶像差对激光传输轴上光强的影响,建立了湍流像差与目标峰值光强Strehl比和环围能量Strehl比的定标规律,为激光中继镜传输特性的分析提供了方法。在综合考虑湍流、热晕和大气消光等因素的影响,利用激光大气传输仿真程序,对3.8μm和1.06μm波长的激光通过中继镜的传输特性进行了模拟,研究了不同参数下激光通过中继镜的传输和变换特性,并对中继镜的低空防御范围和高空覆盖范围进行了比较。模拟结果说明,如果用1kW/cm2的功率密度作为能否防御的标准,3.8μm波长、1m直径和600kW的激光通过中继镜的低空防御范围较小,6km高度以下不能够防御;而对相同波长,1.8m直径,1MW的发射激光,中继镜的低空防御范围较大,2km以上一定角度的范围能够防御。如果用1.06μm的激光作为中继激光,1m直径,600kW激光的向下防御范围能够达到近地面。如果中继镜用作激光通信和激光推进的二次传输平台,用10W/cm2的功率密度作为能否覆盖的标准,1m直径,600kW激光的高空覆盖范围在300km左右,1.8m直径,1MW激光的高空覆盖范围在600km左右。通过与地面直接传输的比较说明,当目标不能够提供信标光时,在大功率和大口径情况下,利用中继镜传输具有明显的优势;当目标能够提供信标光,利用中继镜传输不具有优势。