次世代観測装置用の新しい回折格子 VIII
海老塚 昇1, 岡本 隆之2, 山形 豊1, 佐々木 実3,
西牧 真木夫4, 山本 和也4, 岡田 真4, 佐伯 和人5,
仲内 悠祐6, 田中 壱7, 服部 尭7, 本原 顕太郎8,児玉 忠恭9, 尾崎 忍夫10, 青木 和光10
1 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,

4 ナルックス (株) 技術開発部,

9 東北大学 理学研究科,

10 国立天文台 TMT推進室

6 JAXA/ISAS,

7 国立天文台 ハワイ観測所,

5大阪大学 理学研究科,

8 東京大学 天文学教育研究センター,

第10回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ 2021

2021年12月9, 10, 13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

近-中間赤外線Geグリズム
Λ=5μm, θ0=45°LightSmyth 透過型 Reflector facet trans回折格子
mission (RFT) grating

MOIRCS用高分散グリズム

70

MOIRCS: 8.2mすばる
望遠鏡の近赤外線
多天体分光撮像装置

7057

ZnSeプリズム+VPH grating

MOIRCS用VPHグリズムの分光特性波長帯域幅が狭い。
[Ebizuka et al., 日本天文学会欧文研究報告, 2011]

LightSmyth社の透過型回折格子
VB gratingの一種
http://www.lightsmyth.com/product/transmissiongratings-for-optical-communications/LightSmythgrating
22.8
n0=1.022.8 22.8

n=2.45n=2.45

グリズムの概念図

1302: SiO21303: SiOxNy1301: Si3N41300: SiO2

[US Patent: US 8,165,436 B2]

製品概要
最大サイズ: φ130
波 長 帯: 800~2,500nm
入 射 角: 30~68°(ブラッグ角)J band用gratingの波面

Grating #1605の波面

H band用Prismの波面

H band ZnSe prism No.3+No.5

J band grismの回折効率

VB gratingのリップルは薄い偏光板の干渉H band grismの回折効率

VB gratingのリップルは薄い偏光板の干渉

Kバンド グリズム用石英VB gratings pol.

s pol.
VPH
AOI=25.8°

MOIRCS K band grism
Size: 70×70 [mm]Material: Silica (n=1.435)
Λ=2.36μm (423.7 g/mm)
t=4.25 μm
L&S=1:1
θ0 = 27.8°

p pol.

p pol.
AOI=27.8°

VPH

s pol.
p pol.
AOI=29.8°

VPH

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

0.712μm1.430.712

1.43μm
1.43μm0.718μm
0.712μm
0.718μm
0.712μm2.670.718

2.67μm格子期© NALUX Co., Ltd.

0.712μm

Line0.718μm

SpaceSpace2.67μm
2.67μm

1.43μmSpace

格子
格子深期 期[μm]

1.43μm
1.43μm
2.67μm0.712μm
0.712μm

It is prohibited to copy any part of this document in machine readable form or making multiple printouts thereof, except by written permission from Nalux Co., Ltd.

Kバンド グリズム用Trapezoid gratings pol.

s pol.

p pol.

p pol.
VPH
AOI=25.8°

MOIRCS K band grism
Size: 70×70 [mm]Material: Polymer (n~1.5)
Λ=2.36μm (423.7 g/mm)
L&S=1.39:0.97 [μm]t=4.5 μma=0.28 μm
θ0 = 27.8°

AOI=27.8°

VPH

s pol.
p pol.

AOI=29.8°

VPH

Trapezoid/VB Gratingのレプリカ加工
レジスト

反応性イオンビーム

単結晶
シリコン

シリコンの酸化サイクルエッチング（ボッシュプロセス）

酸化層の除去
ガラス基板
レプリカ樹脂完成

レプリカ加工シリコンの鋳型

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

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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

ALISの光学系(700g/mm)
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

カメラ
f=16, F/2

< 300
スリット
192μm

VB grating,700g/mm

スペクトル

Volume binary (VB)
gratingの概念図

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

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

0.712μm1.430.712

1.43μm
1.43μm0.718μm
0.712μm
0.718μm
0.712μm2.670.718

2.67μm格子期© NALUX Co., Ltd.

0.712μm

Line0.718μm

SpaceSpace2.67μm
2.67μm

1.43μm

Space

格子
格子
深期 期[μm]

1.43μm
1.43μm
2.67μm0.712μm
0.712μmIt is prohibited to copy any part of this document in machine readable form or making multiple printouts thereof, except by written permission from Nalux Co., Ltd.

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

AOI=25.7°
AOI=26.7°
AOI=27.7°

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。

500g/mmのVB grating

格子周期: Λ=2.0 μm (500 g/mm)
L&S: 1.6:0.4 [μm] (4:1)
溝の深さ: t=6.5 μm
入射角 : θ0=19.2°
材 質 : テンパックス
有効径 : 6.46×6.15mm
RCWAによる数値計算（岡本さん）

シリコンを鋳型としたテンパックス
ガラスのVB gratingの製作方法
反応性イオン
レジスト ビーム
単結晶
シリコン
サイクルエッチング（ボッシュプロセス）

シリコンの酸化酸化層の除去
真空テンパックス ガラス

シリコン除去（ウエットエッチング）

研削・研磨

真空ガラスプレス(~ 1100℃)

真空中で陽極接合

テンパックスガラスのTrapezoid grating

シリコンの酸化0.20μm
7.46μm6.70μm8.14μm

シリコン酸化部分

ガラスの着色3.25μm

6.04μm
1.57μm6.50μm © NALUX Co., Ltd. It is prohibited to copy any part of this document in machine readable form or making multiple printouts thereof, except by written
研磨位置

実際の研磨位置

まとめ
最適回
折次数

Eff. [%](l-l [µm])Volume phase
holographic(VPH) grating

1次感光性樹脂のVPHグリズムを8.2mすばる
望遠鏡のFOCASやMOIRCS用等を開発。
~90 →~100
帯域幅が狭く、マルチスリットモードの場(0.32~2.4)
合に視野中心から離れたスリット位置の効率低下が問題。

LightSmyth社のTransmissiongrating

1次~~ 98(0.4~2.4)

MOIRCS高分散グリズムを開発 (VPHグリズムの後継)。

1次~~ 95(0.2~1000)

月極域探査用に石英VB gratingを試作。
テンパックス ガラスのVB gratingを開発中。
MOIRCS高分散グリズム用に石英VBgratingを開発中 (VPHグリズムの後継)。

1次~~ 98(0.2~1000)

MOIRCS高分散グリズム用を開発中 (TMTのWFOS用のプロトタイプ)。

Volume binary(VB) grating
Trapezoid grating

開発状況