次世代観測装置用の新しい回折格子の開発状況 VII
海老塚 昇1, 岡本 隆之2, 山形 豊1, 佐々木 実3,仲内 悠祐4, 西牧 真木夫5, 山本 和也5, 佐伯 和人61 理化学研究所 光量子工学研究センター,
2 理化学研究所 石橋極微デバイス研究室,
3 豊田工業大学 工学部,
5 ナルックス（株）,

4 JAXA/ISAS,

6大阪大学 理学研究科

可視赤外線観測装置技術ワークショップ 20202020年12月 1, 2日

各種回折格子の開発

幅、溝の深さ)VPHグリズム

Quasi-Bragg QB immersion(QB) grating grating

1.43μm0.712μm

2.67μmVolume binary(VB) grating

Nalux Confidential

0.718μm

LightSmyth transmission grating

近-中間赤外線Geグリズム
Λ=5μm, θ0=45°

Reflector facet transmission (RFT) grating

ALIS用VB gratingの開発
月極域探査計画（LUPEX)
月の水資源が将来の持続的な宇宙探査活動に利用可能か判断するための探査

JAXA
JAXAと、インド宇宙研究機関（ISRO）との国際協働ミッション2023年度以降の打ち上げを目指す。
©大阪大学 佐伯さんのスライド

氷の存在イメージ
JAXA提示の機器提案の目安は、0.5wt%（0.1wt%精度）の氷を検出すること。
5 wt% (10 vol%)の H2Oが月高地のレゴリスブレ角礫岩に存在するイメージ
Fagan and Kring (2013)

永久影クレーターシャクルトン（直径21km）のうち、直径15km、深さ1m分の円筒の体積が氷を含む層だと考えると、0.5wt％の水含有量でも180万トンの水があることになる。
シャックルトン

irrelevant

永久影領域(JAXA/KAGUYA)
北極周辺と南極周辺（緯度85度以上）の日照率マップ。黒い部分が永久レゴリス粒子の間に影領域。
存在する場合提供 / 野田寛大(国立天文台)/JAXA©大阪大学 佐伯さんのスライド

着氷スペクトル（実測値）

7O27/14

着氷スペクトルの特徴
かんらん石

1500nmの吸収

斜長石

1500nmの吸収
明化

明化

全体的な明化・ O-H伸縮振動による吸収(1500nm)が見られた©大阪大学 佐伯さんのスライド大雑把な氷の観測イメージ

ALIS測線 (2m)嫦娥4号の画像に加筆

一度に連続スペクトルが観測できるので、永久影で光源を短時間点灯させて弱い吸収帯を探すという運用が可能©大阪大学 佐伯さんのスライド

Advanced Lunar Imaging Spectrometer (ALIS)
ALIS-L
ALIS-M

ALIS-C

ALIS-R is likely to
be stuck on theside of ALIS-L.

ALIS-M

ALIS-CIFOV:
2000 mm x 10 mm @ 5 m
FOV: Scan opera;onType of spectroscopy:
Transmission typediﬀrac;on gra;ng
Range of wavelength:
750 nm – 1650 nm
ローバの形はALISチームの想像です。

©大阪大学 佐伯さんのスライド

ALISの光学系
38.4

9.6

折り返しミラー

対物 f=96, F/8~100コリメータ
f=64, F/8

< 300
スリット
192μm

カメラ
f=16, F/2

VB grating,
700g/mmスペクトル
VB grating
格子周期: Λ=1.43 μm(700 g/mm)
入射角 : θ0=25.7°
材 質 : 石英
有効径 : 4.44×4mm.821

検出器：InGaAs
画素数：640×480pix
ピクセルサイズ：20×20 [μm]波 長 帯 域：750~1,650nm

透過型回折格子の入射角と最大効率
LightSmyth grating (カタログ値)
FOCAS
VPH850

VPH grating

VB grating L&S調整
VB grating
L&S, n1/n0 調整

SR grating

VB grating L&S=1:1(Ibsenカタログ値)
MOIRCS H bandnew grism• 実測値◦ RCWA

SR grism**角度分散が等しくなる
Litrrow配置に換算

ALIS grating

RCWA数値計算(岡本さん＠理研)Λ=1.43 μmのVB gratingの効率マップ
750nm, S偏光

P偏光

1,000nm1,250nm1,450nm1,650nm

L&S=3:2, t=3.0μm
L&S=1:1, t=2.65μm
L&S=1:1, t=2.0μm
RCWAによる数値計算（岡本さん）

Λ=1.43 μmのVB gratingの回折効率

L&S=0.715:0.715,
t=2.65μm

L&S=0.858:0.572,t=3.0μm

L&S=0.715:0.715,
t=2.0μm
RCWAによる数値計算（岡本さん）

格子パラメタ(格子周期、格子溝幅、溝の深さ)
異方性ドライエッチングによる格子パラメタ(格子周期、格子溝幅、溝の深さ)
格子パラメタ(格子周期、格子溝幅、溝の深さ)
SEM
察
SEM
SEM

石英VB gratingの直接加工
察察1.43μmNalux Confidential

0.718μm

0.712μm

1.43μm
1.43μm0.718μm
0.712μm
0.718μm
0.712μm

2.67μm

2.67μm
2.67μm

格子期

Space0.712μm

Line0.718μm

格子
格子
深期 期
© NALUX Co., Ltd.

1.43μmSpaceSpace1.43μm
1.43μm
2.67μm0.712μm
0.712μm

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15

試作したVB gratingの回折光の波面
15

PV: λ/7.5
rms: λ/53

試作したVB gratingの回折効率
RCWA
実測値/0.966
実測値

ALIS用InGaAs検出器の変更[https://www.sony.co.jp/SonyInfo/News/Press/202005/20-036/]

Xenics (20×20 [μm], 640×512 pix) →Sony (5×5 [μm], 1280×1024 pix)
→レンズの設計・製作が困難
Λ=1.43μm (700g/mm) →2.0μm (500g/mm)→新しいVB gratingの製作方法を開発中。

TMT WFOS用Grating

WFOS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 尾崎さんのスライド

反射型のSurface relief gratingの回折効率
WFOS

s偏光

初期の設計:必要なカメラ（結像）レンズの口径より大きな蛍石が入手できな
い。

WFOS

p偏光の効率が長波長側にシフトする

p偏光
表面プラズモン共鳴による損失?

Λ=5μm, θ0=45°[Ebizuka et al., CEAS Space Journal, 2020]

反射型と透過型の回折格子• X線からTHz波におよぶ電磁波において使用可能。
• 比較的安価。
• 明るい光学系ではリトロー配置*が困難。

反射型回折格子• 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。
• 光学系を完全なリトロー配置*ができる。

透過型回折格子*リトローマウント: 入射角と回折角が等しい分光器光学系の配置。
入射と回折光束の断面形状が同一になるため収差が小さい。

表面刻線型回折格子の限界
n sin(a -q1) = sin(a +q0)
n (sina cosq1- sinq1 cosa)= sina cosq0 + sinq0 cosa
(n cosq1 - cosq0) sina
= (sinq0 + n sinq1) cosa
= 2sinq0 cosa
tana = 2sinq0 / (n cosq1 - cosq0)

Lsinq0 = n sinq1
n sin(a -q1) = sinq2q2 = a +q0q0

n = 1.5, q0 ≤ 29° (q2 > 90°) 光学ガラス
n = 2.0, q0 ≤ 40° (同 上) 高屈折率ガラス
n = 2.5, q0 ≤ 48° (同 上) ZnSe, ダイアモン
ドaq1a-q1a qq0 2n

従来のノコギリ歯形状の表面刻線型回折格子は大きな回折角（∝角度分散）用には使用できない。

QB Gratingの回折効率
WFOS

s偏光

WFOS

表面プラズモン共鳴による損失?
Λ=5μm, θ0=45°, n1=1.0,n2=1.54, n3=1.0, t = 9μm, Al mirror: 50nm

p偏光
[Ebizuka et al., CEAS Space Journal, 2020]

VB Gratingの回折効率
WFOS

エバネッセント共鳴による損失?

s偏光WFOSブリュースター角による利得?

p偏光

Λ=5μm, L&S=4.75:0.25 [μm],θ0=45°, n1=1.0, n2=1.54,n3=1.5, t = 9 μm

格子の畝から溝の界面において全反射。→Quasi Bragg gratingとして機能。
[Ebizuka et al., CEAS Space Journal, 2020]

RFT Gratingの回折効率
WFOS

WFOS

S偏光

P偏光
Λ=5μm, θ0=45°, n=1.54
内部反射によって高い回折効率を達成できる。
[Ebizuka et al., CEAS Space Journal, 2020]

まとめ最適回折次数Eff. [%](l-l [µm])

VPH grating →B-VPH grating

1次感光性樹脂のVPHグリズムを8.2mすばる~90 →~100望遠鏡のFOCASやMOIRCS、岡山天体物(0.32~2.4)
理観測所のKOOLS用等を開発。

Volume binary(VB) grating

1次 ~~ 100
月極域探査用に石英VB gratingを試作。
(0.2~1000)

LightSmyth社のVB grating

1次 ~~ 98
(0.4~2.4)

すばる望遠鏡のMOIRCS用高分散グリズ
ムを開発（VPHグリズムの後継）。

RFT grating

数次~ (0.32~2.4) QB grating, VB gratingとの効率を比較。

~ 80

TMTのWFOS用に開発。反射型SR grating,

開発状況

QB grating,
QB immersion
grating

数次~~ 80
金の融合接合やエンボス付ミラー基板の積(0.2~1000) 層による製作方法を開発。

Immersion
grating

1次 ~超精密ダイアモンド切削加工により6.5m~ 80(1.2~1000) TAO望遠鏡用Geグリズムを開発。