次世代観測装置用の新しい回折格子の開発状況	 II	 
海老塚	 昇1, 森田	 晋也1, 山形	 豊1, 平原	 靖大2, 佐々木	 実3,田辺	 綾乃4, 橋本	 信幸4, 青木	 和光5, 高見	 英樹5	1理化学研究所	 先端光学素子開発チーム,	

2名古屋大学	 環境学研究科	 地球環境科学専攻,	 
3豊田工業大学ナノテクプラットフォーム,	 
4シチズンホールディングス（株）開発部,	

5国立天文台	 光赤外研究部	

第4回可視赤外線観測装置技術ワークショップ	

2014年12月3日	 	 国立天文台三鷹	 Echelle Grating	 

表面刻線型グリズム	 透過型の高分散高次回折格子の開発が求められている。	 

FOCAS用Echelle grismの回折効率。
ルーリングエンジンで製作された型からレプリカ。	 

開発中の回折格子	 • Volume phase holographic (VPH) grating (実用化完了)	

屈折率が正弦波状に変調された1次光用の厚い回折格子。	

• Volume binary grating	

溝と畝の比を変えることによってSとP偏光の特性を一致させる厚い矩形回折格子。1~十数次回折光用。	

• Birefringence Bragg binary (3B) grating	

液晶等の光学異方性材質によってSとP偏光の特性を一致させる厚い矩形回折格子。1~数次回折光用。	

• Quasi-Bragg grating	

ミラープレートを積層させた高次用の回折格子。結像機能を有する。	

• Immersion grating (10μm帯において実用化済み）	

光路が高屈折率媒質で充填された高分散回折格子。	

• Quasi-Bragg immersion grating	Quasi-Bragg grating	

Echellegram	

垂直分散素子と組合わせたEchelle分光器は2 次元検出器を有効に利用できる。	 

Quasi-Bragg grating	• 高次の回折効率が高い。	

• 散乱損失が少ない。 	

• 結像機能を有する（上図、 Quasi-Bragg gratingの回折効率	 下の青い光線）。	

[Oka et al., SPIE 5290, 2004]	

Quasi-Bragg Grismの仕様�
石英のQuasiBragg grating�60�

プリズムとの組立：
光学用接着剤�

ZnSe�

ZnSe�
70�

可視光 (360~1000nm), 近赤外線(1.0~2.5μm)用	

材
質：石英, 光学ガラス等	

サイズ×層数：50×0.54×t0.2×350枚（石英）	

周 期 誤 差：100~500nm (P-V), 20~100nm (rms)	

Quasi-Bragg gratingの試作1�

A: 10 x 10 x 0.2 x 40 枚 (左),	

B: 1.5 x 10 x 0.2 x 40 枚 (右)	

切断�

ミラー	

プレートを積層�研磨�

WaveGuide用�

Quasi-Bragg gratingの試作2	

ガラスビーズを混入した
接着剤による積層	

金とクロムの加熱加圧接合。	

→金の常温接合。	

AWG (Array Waveguide Grating)とQuasi-Bragg grating 	Quasi-Bragg gratingの波長混合・弁別素子は比較的小規模な光通信ネットワーク（LAN等）に利用できる。	 
[特許第4537318号]	 

Quasi-Bragg gratingによる結像	 [パイオニア特許より]	 

鏡やレンズとは異なる結像方式。	 
[NICTホームページより]	 

Quasi-Bragg gratingを直交させると2次元結像素子として機能。	 

Immersion Grating	Development of High Dispersion Gratings	

50µm	

LiNbO3 (n = 2.3)
grating, 30 g/mm,Dicing Saw	LiNbO3 (n = 2.3) Grism,444 g/mm, Ion etching	(Ebizuka et. al. SPIE, 3355, 1998)	

Ge (n=4.0) grating,Excimer LaserAblation 	中間赤外線高分散分光器	 
• 暗黒星雲で合成される有機分子を研究するために波長10μmにてR=λ/Δλ〜200,000、分散素子の光路差ΔLが2m以上必要。	

• 中間赤外線の天文観測装置は光学系全体を真空容器に収めて数10°Kに冷却する必要がある。	

• 従来の反射型回折格子では装置の体積が100m3程度になってしまう。	

• Ge immersion gratingは装置の体積を1/50 程度に小型化 (2m3) できる。	 

大型Immersion Gratingの試作	 
半田ゴテ�

10 µm 映像�R〜200,000@10μm, サイズ: 120 x 120 x 270 mm 	→ 研削の場合の加工時間：数 1000 時間? 	

Immersion Gratingの切削加工	

Λ =200 μm	

α =60°	

研削加工では表面粗さとV溝底部のコーナーRを小さくできない。(R~10µm)	

特に近赤外線用において性能低下の要因になる。	

近赤外線用	

中間赤外線用	波長帯域 ：1 ~ 3 µm	

波長帯域 ：3 ~ 30 µm	

材 	 	  質：Si, ZnSe等	

材
質：Ge, CdTe等	

サ イ ズ：30 × 30 × 75	

サ イ ズ：120× 120 × 300	

格子周期 ：Λ=100~200 µm 	 格子周期 ：Λ = 600~1,000 µm 	

ブレーズ角：α = 60~70°	

ブレーズ角：α = 60~70°	

Ge, SiのV溝のダイアモンド切削加工	 1	

チャンファ付き剣バイトによるシェーパー加工�

加工装置：東芝機械製	 ULG100A	

工
具：単結晶ダイアモンドのチャンファ	（負のすくい角）付き剣バイト	

剣バイトによるシェーパー加工 1	2.0 µm/回�
1.0 �

切込み量	 

1.0 �0.5 �0.2�

Ge	2.0 µm/回�

終端	×110�

0.5 �0.2�

Si	

開始	

送り速度：100 mm/min�
GeとSiに大きな相違が見られない。	

剣バイトによるシェーパー加工 2	0.2 µm/回�

0.2 µm/回�
×500�

Ge	Si	×1,000�

谷底が滑らかで、ふち近傍にムシレが見られる。	 

チャンファ付き剣バイトの刃先�

明視野	 

暗視野	加工前(×50)	 

加工後(×50)	 

この倍率においては刃先の摩耗を確認できない。	 

Ge, SiのV溝のダイアモンド切削加工 2	

単刃エンドミルによるフライカット�

加 工 装 置：東芝機械製 ULG100A	

スピンドル回転：10,000 rpm	

工具回転部直径：φ1.0	

単刃エンドミルによるフライカット 1	

切込み量：100 µm	 終端	Ge	2.0 �
1.4 �

1.0 �
0.7 �×110�
送り速度	 
[mm/min]	 
1.0 �
0.7 �0.5 �
開始	

0.35 �

Si	

0.2 �0.5 �塑性モードから脆性モードに移行する送り速度はGeがSiの2倍程度。	

単刃エンドミルによるフライカット 2	×220�

Ge, 0.5�mm/min �Si, 0.2�mm/min�

×1,000�

全体に滑らかで、刃物側面側の谷底近傍に若干のムシレが見られる。	 

単刃エンドミルによるフライカット 3	

Si, 0.35 mm/min�
刃物側面側にウロコ状のムシレが見られる。	

× 2×1,000�

単結晶ダイヤモンド多刃エンドミルが有望。	

Quasi-Bragg Immersion Grating	© DISCO	• ダイシングソーは表面仕上が滑らか。	

• ツルーイングが容易。	

• 実機: 120 x 120 x 270 mmの加工→ 数100 時間?	

[Ebizuka et al., SPIE 6273, 2006]	

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

材
質：Ge, CdTe等	(5~30μm)
	サイズ, 層数：120×0.8×t0.6×400枚				周 期 誤 差：100nm (P-V), 30nm (rms)	

まとめ	 • Quasi-Bragg gratingは高次の回折効率が高い。	

→金属ミラー基板の常温接合による積層が有望。	

• Immersion gratingは分光観測装置を劇的に小型軽量化できる。	

• 研削加工によるGe immersion gratingの実用化に成功。	 
• 単結晶ダイアモンド工具の切削加工によるSiやGe等のImmersion gratingの加工を検討。→単結晶ダイアモンド多刃エンドミルによる高速切削加工が有望。	

• Quasi-Bragg immersion gratingのプリズムとQuasiBragg gratingの接合にも常温接合が有望。