飞行时间二次离子质谱仪(Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometer,TOF-SIMS)是一种无需对样品进行化学处理和近于无损伤的分析仪器。TOF-SIMS光学成像系统用于观察测试样品的实时图像,分析测试点的位置及一次离子束斑的直径、强度等信息,是TOF-SIMS仪器的重要组成部分,激光后电离技术是在SIMS基础上发展起来的用于提高仪器灵敏度的关键技术。本文完成的研究内容如下:研制出一种基于改进型Schwarzschild结构为核心的光学成像系统,并应用于自主研制的TOF-SIMS仪器上测试及使用,实现了样品图像的实时观测。提出一种具有自动消除噪声功能的锆石样品图像自动聚焦算法,提高了现代SIMS仪器自动聚焦系统的聚焦准确率。提出一种二次中性粒子后电离方法,采用飞秒激光电离TOF-SIMS仪器的二次中性粒子,提高了TOF-SIMS仪器的灵敏度。