次世代観測装置用の新しい回折格子の開発状況 IV
海老塚 昇1, 岡本 隆之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5, 青木 和光51理化学研究所,
4シチズン時計,2豊田工業大学,
5国立天文台第6回
回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ

3東北大学,

2016年11月 24-25日 国立天文台三鷹

反射型と透過型の回折格子およびグリズム

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。

透過型回折格子グリズム

 完全なリトローマウント*に光学系を配置ができる。
 光学系の直線的な配列が可能。

*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 sin(α -θ1) = sin(α +θ0)n (sinα cosθ1- sinθ1 cosα)= sinα cosθ0 + sinθ0 cosα(n cosθ1 - cosθ0) sinα
= (sinθ0 + n sinθ1) cosα
= 2sinθ0 cosα
tanα = 2sinθ0 / (n cosθ1 - cosθ0)Λ�sinθ0 = n sinθ1n sin(α -θ1) = sinθ2θ2 = α +θ0θ0�

n = 1.5, θ0 ≤ 29° (θ2 > 90°) 光学ガラス
n = 2.0, θ0 ≤ 40° (同 上) 高屈折率ガラス
n = 2.5, θ0 ≤ 48° (同 上) ZnSe, ダイアモンドα�θ1�α-θ1�α� θ �θ0� 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。

#" " !!! "
θ1= α - θ0sinθ1= n sinθ2R+θ2+R–θ3 +γ = 2R
θ2= θ3 – γ
θ3 +θ4 +2R – β = 2R
θ3= β – θ4n sinθ4= sinθ0・・・ (1)・・・ (2)・・・ (3)・・・ (4)・・・ (5)格子内で反射した光束が入射した面と角度φで伝播する場合にθ4は
θ4= R– α – φ,α = R– θ4– φ・・・ (7)式3に式4およびα+γ+β = 2Rを代入すると
θ2= α+2β – θ4 – 2R,
β = (θ2+θ4 – α)/2+R ・・・ (6) "のの回折効率 S偏光

Λ=5µm, θ0=45°, n=1.54
P偏光 "のの製作方法

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 = 77~79°
格子の頂角 : γ = 35~45°格子周期 : Λ= 2~5 μm

ガラス基板
透明樹脂
マスター格子

レプリカ加工完成

70用用の新しいグリズム

ZnSeプリズムのMOIRS VPHグリズム

R1300 (KRS-5) グリズムの性能低下

Ch2のルーリング面

Ch2

Ch1

Ch2の裏面（×200）

スペクトル幅の広がり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
格子周期
ブレーズ角
格子頂角

: 70×70×54 [mm]
: ZnSe (n1= 2.4529@1.65 μm): α = 23.8°: θ0= 5°
: S-FPM3 (n2= 1.5240@1.65 μm): Λ= 10.79μm (92.68 grooves/mm): β = 64.8°: γ = 61.8°

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・グリズムの回折効率（スカラー計算）

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
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:0.89λ, RMS: 0.13λ（中央、右）用用高分散エシェルグリズム
θ0n2tn1

θ2 Λn3θ3n3
θ4Volume binary (VB) grating
L≫S, 90-sin-1(n1sinθ0) > sin-1(n0/n1),
Quasi-Bragg (QB) gratingとして機能~54: 70×70×54 [mm] する。

外形寸法
プリズム材質 : ZnSe
プリズム頂角 : α= 18.5°格子周期:�Λ= 5.1μm (196g/mm)

スリット幅: 0.3”
R= 4,630@1.02 μm (Y band, 5次)
R= 4,420@1.25 μm (J band, 4次)
R= 4,270@1.65 μm (H band, 5次)

QB Gratingににおける光束の伝播
垂直入射入射角小理想的な入射角
0th order

Diffraction beam

入射角大

高分散エシェルグリズムの回折効率 L&S=4.6:0.5 [µm], θ0=28.4°, n1=1.33, n2=1.6, n3=1.6, t = 16 µm

VB Gratingのの製作方法
単結晶
シリコン

シリコン除去ボッシュプロセス

上面図ガラス基板

低屈折率樹脂高屈折率樹脂レプリカ格子ガラス基板

レプリカ格子
転写

側面図

ガラス基板

シリコン鋳型の仕様

サ イ ズ: 70×70 [mm]材
質: シリコン
格子周期 : Λ=5.1µm (196 g/mm)
畝の幅 : L=0.5 µm
畝の高さ: t=16 µm

シリコン鋳型の試作

サイクルエッチング（Boschプロセス）→シリコン酸化⟷酸化膜除去により加工された高アスペクト比のVB grating用のシリコン金型（格子周期Λ=5.1µm）。左：高さt=10µm、幅s = 0.44µm。右：t=20µm、s = 0.80µm。
豊田工業大学ナノテクノロジープラットフォームにて加工。

Quasi-Bragg Immersion Gratingのの仕様
30~35°傾斜したGe,Si 等のQB grating

プリズムとの組立：常温接合?
金属ミラー

40 (Si)120 (Ge)

Ge, Si 等

100 (Si), 270 (Ge)

1. 近赤外線用(1~5μm)

材
質 ：ZnSe, Si 等
サイズ, 層数：30×0.20×t0.15×400枚
周 期 誤 差 ：30nm (P-V), 8nm (rms)2. 中間赤外線用(5~30μm)

材
質 ：Ge, CdTe等
サイズ, 層数：120×0.8×t0.6×400枚
周 期 誤 差 ：100nm (P-V), 30nm (rms)22��

Quasi-Bragg Immersion Gratingのの試作

22��

38.1��

Quasi-Bragg immersion grating30��

ワイヤーソーの切り込み位置

0.8��  ��

22��

1.5��  × �25

 ��

 × �

1.5��

金の常温接合により積層されたミラー基板ブロック

格子が傾いたQuasi-Bragggrating

まとめ &3C31<9:4/13<<:/8;76;;698&(5:/<685は高次回折光に対して高い回折効率（~80%）を達成可能。

 RFT gratingのプロトタイプとして頂角が鋭角なノコギリ歯形状のレプリカ回折格子を用いたMOIRCSハイブ
リッド・グリズムを開発中。

 MOIRCSエシェルグリズム用にQB gratingとして機能するVB gratingのシリコンのマスター格子をサイクルエッチング+酸化膜形成・除去により高アスペクト比の鋳型を試作。樹脂充填後のシリコン除去法を開発。

 常温接合による積層加工法によりQB immersiongrating（石英、可視光近赤外線用）を試作中。