點擊“國家空間科學中心”關注我們吧

近日，中國科學院國家空間科學中心系統室李保權團隊圍繞深空探測物質成分原位分析需求，在前期完成基于微片激光器電離源的新一代輕小型離軸TOF質譜儀的基礎上（JAAS, 2026, 41, 978-988，DOI:10.1039/d5ja00433k），進一步完成了基于微片激光器激發的同軸TOF質譜儀原理樣機研發。

樣機由低功耗空間微片激光器、長工作距同軸激光微焦點耦合系統、超快光電觸發系統及同軸質量分析系統組成，整機包絡尺寸為150 mm × 122 mm × 224 mm。實測樣機獲得了鋁、銅、鐵等典型金屬樣品及天然巖石樣品飛行時間質譜圖，其中金屬樣品單脈沖譜圖中質量分辨率約為130，巖石樣品質量分辨率約為108，顯示出該樣機能夠開展固體樣品的全元素分析能力。相關成果已于近期在IOP Publishing工程技術領域期刊Engineering Research Express上發表（Eng. Res. Express, 2026, 8, 115306，DOI:10.1088/2631-8695/ae7025）。

圖1 基于微片激光器激發的輕小型同軸TOF質譜儀樣機(左圖為結構效果圖，右圖為實物圖)

隨著月球、火星和小天體探測任務不斷深入，高靈敏度、高分辨率、寬質量范圍且適應嚴苛資源約束的原位探測質譜儀在深空探測任務中具有迫切需求。激光燒蝕飛行時間質譜技術能夠直接作用于巖石、土壤等固體樣品，具有無需復雜樣品預處理、全譜快速采集、同位素甄別等優勢，是空間原位物質成分探測的重要技術方向之一。面向空間載荷小型化、低功耗和高集成度需求，團隊研制了基于微片激光器激發的輕小型同軸反射式TOF質譜儀樣機。通過同軸集成布局，系統將激光激發區、離子提取區、飛行分析軸線和探測系統緊湊耦合，有效提高了儀器內部空間利用率，減小了TOF包絡尺寸，并驗證了該樣機在測量金屬、天然巖石等固體樣品質譜分析的可行性。

在激光激發源方面，研制了適用于空間探測應用的低功耗微片激光器。該激光器輸出波長1064 nm，單脈沖能量約為16μJ，脈沖寬度約為500ps，重復頻率可在0.1k-1kHz范圍內調節，整機功耗小于3W。激光器主體尺寸為48mmx22mmx22mm ，質量約46g；驅動控制電子學尺寸為62mmx42mmx22mm，質量約60g。該設計兼顧了固體樣品激光燒蝕需求和空間載荷對體積、質量、功耗及接口適配性的約束。

圖2 團隊研制的空間微片激光器實物圖

針對同軸質譜儀中激光需沿主軸方向入射、內部空間受限、工作距長等工程難題，團隊研制了長工作距同軸微焦點光學耦合系統。該系統采用一體化折疊式光路結構，將側向布置的微片激光引入質譜儀主軸方向，并通過逆伽利略式結構擴束聚焦、高折射率透鏡組改善像差、PBS和半波片偏振分光等設計，一方面實現了樣品表面微區激發，另一方面可以偏析同步光用于TOF的實際輸出激光T0基準的探測。實驗結果表明，系統能夠在約135mm工作距離下獲得1/e2直徑約28.8μm的聚焦光斑，滿足同軸TOF質譜儀對長工作距和微區激發的需求。

圖3 一體化光束轉向結構設計示意圖

在超快光電觸發方面，團隊基于低電容InGaAs光電二極管和高速跨阻放大器開發了微型光電觸發系統。測試結果顯示，該觸發系統能夠將同步光信號轉換為數百毫伏量級的電壓脈沖，針對500 ps脈寬的輸出激光其有效邊沿過渡時間約為480ps，噪聲限制下的等效時間抖動約為21.24ps。將自研觸發系統與Hamamatsu C8366商用模塊進行了輸出波形對比，測試結果表明，自研觸發系統在脈沖有效邊沿上升時間和后沿恢復特性方面表現出更適用于TOF觸發，有助于降低時間同步不確定性對質量分辨能力的影響。

圖4 超快光電觸發系統實測時間域瞬態響應波形

在質量分析器方面，團隊掌握了TOF質譜儀靜電場建模、離子軌跡追蹤、時間聚焦優化和質量分辨率評估等離子光學仿真技術，設計了由離子提取與加速區、Einzel透鏡、無場漂移管、雙級無柵網離子反射器和MCP探測組件組成的同軸反射式TOF質量分析系統。仿真結果如圖5所示，優化后的離子光學系統能夠實現離子的有效提取、聚焦、漂移、反射和探測傳輸，優化后的仿真結果顯示，該結構的TOF質量分辨率達到700。

圖5 TOF質量分析器的離子軌跡仿真結果

整機集成完成后，開展了金屬樣品和天然巖石樣品測試。金屬樣品單脈沖質量分辨率最高約為130，巖石樣品質量分辨率約為108，單脈沖條件下已具備102量級的質量分辨能力。連續單脈沖峰位統計結果顯示，元素特征峰峰位飛行時間標準差約為13.41ns，相對標準偏差約為0.22%，表明整機在當前實驗條件下具有很好的飛行時間重復性。

圖6 測試鋁片樣品的單脈沖激光質譜圖

圖7 測試銅片樣品的單脈沖激光質譜圖

圖8 測試鐵片樣品的單脈沖激光質譜圖

圖9 測試巖石樣品的單脈沖激光質譜圖

基于微片激光器激發的輕小型同軸TOF質譜儀原理樣機的研制完成，為下一步開發用于深空探測的先進原位分析有效載荷工程樣機奠定基礎，這些成果亦可拓展至工業應用的便攜質譜分析儀器。

歡迎關注我們，轉載授權、投稿事宜請
在文后留言，小編會盡快處理