科研动态 | 空间中心科研人员完成基于微片激光器激发的轻小型同轴TOF质谱仪原理样机研发

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近日，中国科学院国家空间科学中心系统室李保权团队围绕深空探测物质成分原位分析需求，在前期完成基于微片激光器电离源的新一代轻小型离轴TOF质谱仪的基础上（JAAS, 2026, 41, 978-988，DOI:10.1039/d5ja00433k），进一步完成了基于微片激光器激发的同轴TOF质谱仪原理样机研发。

样机由低功耗空间微片激光器、长工作距同轴激光微焦点耦合系统、超快光电触发系统及同轴质量分析系统组成，整机包络尺寸为150 mm × 122 mm × 224 mm。实测样机获得了铝、铜、铁等典型金属样品及天然岩石样品飞行时间质谱图，其中金属样品单脉冲谱图中质量分辨率约为130，岩石样品质量分辨率约为108，显示出该样机能够开展固体样品的全元素分析能力。相关成果已于近期在IOP Publishing工程技术领域期刊Engineering Research Express上发表（Eng. Res. Express, 2026, 8, 115306，DOI:10.1088/2631-8695/ae7025）。

图1 基于微片激光器激发的轻小型同轴TOF质谱仪样机(左图为结构效果图，右图为实物图)

随着月球、火星和小天体探测任务不断深入，高灵敏度、高分辨率、宽质量范围且适应严苛资源约束的原位探测质谱仪在深空探测任务中具有迫切需求。激光烧蚀飞行时间质谱技术能够直接作用于岩石、土壤等固体样品，具有无需复杂样品预处理、全谱快速采集、同位素甄别等优势，是空间原位物质成分探测的重要技术方向之一。面向空间载荷小型化、低功耗和高集成度需求，团队研制了基于微片激光器激发的轻小型同轴反射式TOF质谱仪样机。通过同轴集成布局，系统将激光激发区、离子提取区、飞行分析轴线和探测系统紧凑耦合，有效提高了仪器内部空间利用率，减小了TOF包络尺寸，并验证了该样机在测量金属、天然岩石等固体样品质谱分析的可行性。

在激光激发源方面，研制了适用于空间探测应用的低功耗微片激光器。该激光器输出波长1064 nm，单脉冲能量约为16μJ，脉冲宽度约为500ps，重复频率可在0.1k-1kHz范围内调节，整机功耗小于3W。激光器主体尺寸为48mmx22mmx22mm ，质量约46g；驱动控制电子学尺寸为62mmx42mmx22mm，质量约60g。该设计兼顾了固体样品激光烧蚀需求和空间载荷对体积、质量、功耗及接口适配性的约束。

图2 团队研制的空间微片激光器实物图

针对同轴质谱仪中激光需沿主轴方向入射、内部空间受限、工作距长等工程难题，团队研制了长工作距同轴微焦点光学耦合系统。该系统采用一体化折叠式光路结构，将侧向布置的微片激光引入质谱仪主轴方向，并通过逆伽利略式结构扩束聚焦、高折射率透镜组改善像差、PBS和半波片偏振分光等设计，一方面实现了样品表面微区激发，另一方面可以偏析同步光用于TOF的实际输出激光T0基准的探测。实验结果表明，系统能够在约135mm工作距离下获得1/e2直径约28.8μm的聚焦光斑，满足同轴TOF质谱仪对长工作距和微区激发的需求。

图3 一体化光束转向结构设计示意图

在超快光电触发方面，团队基于低电容InGaAs光电二极管和高速跨阻放大器开发了微型光电触发系统。测试结果显示，该触发系统能够将同步光信号转换为数百毫伏量级的电压脉冲，针对500 ps脉宽的输出激光其有效边沿过渡时间约为480ps，噪声限制下的等效时间抖动约为21.24ps。将自研触发系统与Hamamatsu C8366商用模块进行了输出波形对比，测试结果表明，自研触发系统在脉冲有效边沿上升时间和后沿恢复特性方面表现出更适用于TOF触发，有助于降低时间同步不确定性对质量分辨能力的影响。

图4 超快光电触发系统实测时间域瞬态响应波形

在质量分析器方面，团队掌握了TOF质谱仪静电场建模、离子轨迹追踪、时间聚焦优化和质量分辨率评估等离子光学仿真技术，设计了由离子提取与加速区、Einzel透镜、无场漂移管、双级无栅网离子反射器和MCP探测组件组成的同轴反射式TOF质量分析系统。仿真结果如图5所示，优化后的离子光学系统能够实现离子的有效提取、聚焦、漂移、反射和探测传输，优化后的仿真结果显示，该结构的TOF质量分辨率达到700。

图5 TOF质量分析器的离子轨迹仿真结果

整机集成完成后，开展了金属样品和天然岩石样品测试。金属样品单脉冲质量分辨率最高约为130，岩石样品质量分辨率约为108，单脉冲条件下已具备102量级的质量分辨能力。连续单脉冲峰位统计结果显示，元素特征峰峰位飞行时间标准差约为13.41ns，相对标准偏差约为0.22%，表明整机在当前实验条件下具有很好的飞行时间重复性。

图6 测试铝片样品的单脉冲激光质谱图

图7 测试铜片样品的单脉冲激光质谱图

图8 测试铁片样品的单脉冲激光质谱图

图9 测试岩石样品的单脉冲激光质谱图

基于微片激光器激发的轻小型同轴TOF质谱仪原理样机的研制完成，为下一步开发用于深空探测的先进原位分析有效载荷工程样机奠定基础，这些成果亦可拓展至工业应用的便携质谱分析仪器。

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