次観測装置用の新しい回折格子の開発状況 V
海老塚 昇1, 岡本 隆之1, 竹田 真宏1, 細畠 拓也1, 山形 豊1,佐々木 実2, 魚本 幸3, 島津 武仁3,佐藤 慎也4, 橋本 信幸4,田中 壱5, 服部 尭5, 尾崎 忍夫6, 青木 和光6
1理化学研究所,

2豊田工業大学

工学部, 3東北大学 学際科
学フロンティア研究所, 4シチズン時計 研究開発センター,
5国立天文台 ハワイ観測所, 6国立天文台 TMT推進室

第7回可視赤外線観測装置技術ワークショップ

2017年 11月 16, 17日 京都大学

Wide Field Optical Spectrograph (WFOS) TMT（30m望遠鏡）第一期観測装置の１つ。
 広視野可視光多天体分光撮像装置。
 カリフォルニア大学サンタクルーズ（UCSC）がリード。
 国立天文台、ハワイ大学、中国科学技術大学、南京天文光学研究所が協力。
 現在他の研究機関も加えて新たな開発チームの再編が行われている。

国立天文台 尾崎氏のスライドWFOS装装置パラメーター

コリメーター焦点距離

8.3×3 arcmin2(1086 × 392 mm2 望遠鏡焦点面において)
310 – 600 nm （青側）
550 – 1000 nm （赤側）
撮像
ロングスリット分光
多天体スリット分光
R~1000, 5000, 8000
（0.75″幅スリット使用時）
4500 mm

カメラレンズ焦点距離600 mm

分光器内瞳径300 mm

検出器フォーマット

12K × 16K

視野
波長範囲
観測モード
波長分解能

国立天文台 尾崎氏のスライド

反射型と透過型回折格子の得失

反射型回折格子 X線からTHz波におよぶ電磁波に対して利用可能。
 比較的安価。
 明るい光学系ではリトローマウント*が困難。
 コリメータ等の光学素子を近接して置くことができる。
→分光観測装置を小型化できる。

透過型回折格子 完全なリトローマウント*に光学系を配置ができる。

*リトローマウント: 入射角と回折角が等しく、入射と回折光束の断面形状が同一になる分光器の光学系配置。

表面刻線型回折格子の限界
n = 1.5, θ0 ≤ 29° (θ2 > 90°: 臨界角)n = 2.5, θ0 ≤ 48° (同上同上ダイアモンド: n = 2.46@400nm)

Λ�n = 2.0, θ0 ≤ 40° ()θ0�

階段形状の表面刻線型（SR）
回折格子は大きな回折角（∝角度分散）では使用できない。

α�θ1�
α-θ1�n�α� θ �θ0� 2

開発済および開発中の回折格子

VPH grating

複屈折性のB- Quasi-Bragg Volume binary
VPH grating (QB) grating (VB) grating

&# !# Hybridグリズム Immersion
gratingtransmission(RFT) grating

QB immersion
grating&# !#!""" (RFT) Grating

Echellegram

RFT Gratingのの回折効率 (RCWA)

S偏光

Λ=5µm, θ0=45°, n=1.54
P偏光

WFOS用: Λ=2.2~4.7µm, θ0=36~53°

RFT Gratingのの製作方法
ワークピース：無電解Ni-P 合金
マスター格子（金型）の ブレーズ角 ：β = 58~67°格子の頂角 ：γ = 36~44°
シェーパー切削加工
格子周期 ：Λ= 2~4 μm
ガラス基板
透明樹脂
マスター格子

レプリカ加工完成

MOIRCS用ハイブリッドグリズム

RFT Gratingのプロトタイプ

R1300 (KRS-5) グリズムの性能低下

Ch2のルーリング面

Ch2

Ch1

常温↔︎−200℃のヒートサイクルにより、クラック発生
Ch2の裏面（×200）

スペクトル幅の広がりハイブリッド・グリズムの観測波長領域

MOIRCS用用ハイブリッド・グリズム
R1300グリズムは光学ガラス（n < 1.8）のプリズムでは分散が足りない。
外形寸法
プリズム材質プリズム頂角
入射角
基板材質: 70×70×54 [mm]
: ZnSe (n1= 2.453): α = 23.8°: θ0= 5°
: 石英 (n2=1.443)

スリット幅: 0.585”→ 0.3”
R= 1,487→2,900@0.88 μm (z band)
R= 1,431→2,790@1.02 μm (Y band)
R= 1,408→2,750@1.25 μm (J band)
R= 1,434→2,800@1.65 μm (H band)
R= 1,419→2,770@2.20 μm (K band)ハイブリッド・グリズム用回折格子の製作方法

マスター格子（金型）のシェーパー切削加工

ワークピース: 無電解Ni-P 合金
ブレーズ角 : β = 64.8°格子の頂角 : γ = 61.8°格子周期 : Λ= 10.79μm

ガラス基板
透明樹脂
マスター格子レプリカ加工完成

(5.7°)

61.8°±0.5°

マスター格子の試験加工 I

25.2°±0.5°
R≦0.5μm

マスター格子（Ni-P金金型）試験加工品のSEM写写真

試験加工品のSEM写真。左：カエシ大。右：カエシ小、50×50のレプリカ実験用サンプルの加工条件。

マスター格子の試験加工 II

レプリカ実験用金型50×50（左）。レプリカ実験用金型の波面、PV:0.79λ, RMS: 0.12λ（中央、右）RFT Gratingののマスターおよびレプリカの回折光波面

マスター; PV: 0.79λ,（左上） RMS: 0.12λ
第1世代; PV: 0.76λ,（右上） RMS: 0.12λ
第2世代; PV: 0.48λ,（左）RMS: 0.07λ

ハイブリッド・グリズム試作品の回折効率

P-pol.

S-pol.
P-pol.

S-pol.

設計通りの格子形状と入射角:β=64.8 °, γ=61.8°, θ2=36.6°�

理想的な格子形状: β =�64.8 °→65 °,γ= 61.8°→52.0°, θ2=36.6°[Ebizuka et al., Proc. SPIE10233, 2017]

Test Fabrication of Master for
RFT Grating

RFT Grating用用金型の試作 Grating

細畠 研究員シェーパー切削
RFT gratingの金型（マスター）
Zygo GPI干渉計
による回折光波面の計測

マスター格子の波面誤差

0次; PV: 1.20λ,
RMS: 0.21λ-1次; PV: 1.28λ,
RMS: 0.24λ

1次

6次-5次; PV: 1.29λ,
RMS: 0.23λ

14次-15次マスター格子のSEM写真

右に30°傾斜傾斜なし

左に30°傾斜マスター格子断面の想像図

まとめ
最適回折次数VPH grating →B-VPH grating

Eff. [%](λ-λ [µm])開発状況

1st~90 →~100 可視光硬化型樹脂と紫外線硬化型液晶を混合(0.32~2.4) した記録材料により回折効率80%を達成。

3th~~ 80(0.32~2.4)

RCWAを用いた数値計算によって、理想形状を求めた。シェーバー加工による金型の再試作を近日開始予定。

ハイブリッド・グリズム

1st~~ 80(0.32~2.4)

RFT gratingのプロトタイプとして、すばる望遠鏡のMOIRCS用を開発。シェーバー加工により金型を製作し、レプリカ加工品を評価。

Volume binary
grating

1st~~ 80
サイクルエッチング+酸化膜形成・除去によ(0.2~1000) りシリコンの高アスペクト比の鋳型を試作。

Immersion
grating

1st~~ 80
フライカット加工により、V溝格子のシリコ(0.2~1000) ン・グリズムを試作。

3th~

金の常温接合による積層加工法により製作し~ 80
たQB grating（石英）とリトロープリズム、(0.2~1000)
表面ミラーを組合せて試作。

RFT grating

Quasi-Bragg
immersion
grating