共同研究成果報告書
平成 28 年 4 月 28 日
研究代表者：氏名

海老塚 昇

所属・職 理化学研究所 光量子工学研究領域・研究員
研究題目：高効率高分散回折格子の開発
１．研究の実績(1)研究の実施日程
実

施

日

程研究項目
4月
Quasi-Bragg gratingの5月

6月

7月

8月

9月

10月 11月 12月

1月

2月

3月

エンボス付ミラー基板の積層

試作

常温接合によるミラー基板の積層

Birefringence VPH
gratingの試作
フォトレジスト回折格子の試作
RFT gratingの開発

設計
試作

Si, Ge切削加工実験
回折格子測定装置の改造(2)研究の成果の説明
1. はじめに
TMT の第一期観測装置である可視光広視野分光撮像装置 WFOS は反射型エシェル回折格子を採用する計画であったが、光学系の仕様変更によって、コリメータやカメラレンズの口径が当初設計の φ440mmより大きくなることが分った。口径が φ440mm より大きいレンズ用の硝材の入手が極めて困難であり、装置全体も大型化するためにコストの大幅な上昇が懸念されている。そのため、エシェルタイプの透過型高分散回折格子の開発が求められている。透過型回折格子はコリメータやカメラレンズの近傍に置くことができるためにコリメータやカメラレンズの口径を小さくすることが可能である。また、TMT の可視光用補償光学は開発に今後 10 年以上要すると見込まれており、透過型エシェルタイプ回折格子を使用したいくつかの可視光-中間赤外線の観測装置計画が提案されている。
Fig. 1のような従来のノコギリ歯形状の表面刻線型回折格子は、回折角が大きくなるのに従い、屈折率を大きくしなければならない。例えば、入射角および回折角が45°の場合に格子の屈折率が2.3以上必要であるため、光学ガラスや樹脂等を利用できない。高エネルギーレーザのパルス圧縮光学系等に使用されるFig. 2のようなVolume binary grating（厚い矩形回折格子）は2種類の材質の幅（L&S: Line and space）を調整することによってSとP偏光の分光回折効率特性をほぼ一致させることが可能で、高次光に対してFig. 1 Propagation of incident beam in SR grating withsawtooth grooves.

Fig.2 Schematic representation of volume binary grating.

も高い回折効率を達成できる。しかし、このようなVolume binary (VB) gratingは一方の材質の幅: Sと厚さ:tの比（アスペクト比）が1：数10になってしまうために最新の異方性エッチング加工等を用いても製作が困難である。一方、屈折率が正弦波状に変調されたVolume phase holographic (VPH) gratingは1次回折光のSあるいはP偏光に対して最大効率100％を達成可能であり、同一口径の表面刻線型回折格子に対して極めて大きな角度分散を達成できるために、すばる望遠鏡をはじめ多くの天文学観測装置に搭載されている。しかし、VPH gratingはFig. 3のようにSとP偏光の分光回折効率特性が異なるために、角度分散が大きくなると自然偏光等に対して高い効率を達成できなくなってしまう上、高次回折光の効率が低いためにエシェルタイプの回折格子として利用できない。
2. Birefringence VPH grating
透過型の VPH grating において，ホログラム記録材料として液晶等の光学異方性媒質と等方生媒質、あるいは 2 種類の光学異方性媒質を組み合わせた場合に、任意のブラッグ角において光学異方性媒質と等方生媒質の屈折率を調整して、偏光と P 偏光の１次回折光の回折効率特性を一致させることによって、自然偏光や円偏光に対しても高い回折効率を達成できるようになる。研究チームの岡本氏が独自に作成

Fig. 3 Calculated polarized diffraction efficiencies versus thickness t of a VPH grating at λ = 1.41 µ m (upper leftpanel), and polarized spectral diffraction efficiencies on t=12 µm (upper right panel), 16 µ m (lower left panel) and20 µ m (lower right panel) calculated by RCWA method. nmax= 1.60, nmin = 1.50, Λ = 1.0 µm and θB = θ0 =45°.

Fig. 4 Calculated polarized diffraction efficiencies versus grating thickness t of birefringence VPH grating at λ = 1.41µm (upper panel), and polarized spectral diffraction efficiencies on t = 9.4 µm (upper middle panel), 12.5 µm (lowermiddle panel) and 15.6 µm (lower panel) calculated by RCWA method. nS max = 1.60, nS min = 1.50, nP max = 1.653, nP
min = 1.50, Λ = 1.0 mm, θ0 =45°.
した厳密結合波解（RCWA）のソフトウエアを光学異方性媒質にも対応できるように改良して、Birefringence VPH grating が自然偏光や円偏光に対して最大 100%の回折効率を達成できることを確認した（Fig. 4）。
我々は 3 種類の紫外線硬化型の液晶をそれぞれ通常の液晶（1 種類）と混合して、紫外線レーザの二光束干渉計を用いた干渉露光によって Birefringence VPH grating の試作を行った。その結果、いずれの組み合わせでも回折光を観察することができた（Fig. 5）。ただし、紫外線硬化型と通常の液晶が同一メーカの組合せ（1 種類）は他の 2 種類より回折効率が極端に低かった。
3. Volume binary grating
VB grating は屈折率が異なる 2 種類の材質の幅（L&S: Line and space）を調整して、高次回折光に対して比較的高い回折効率を達成できることが RCWA によって確認されている。
Fig. 6 は WFOS 用を想定した VB grating（L&S=4.75:0.25 [μm]、深さ 9μm , 7~11 次を使用）の回折効率である。この VB grating は S偏光より P 偏光の効率が高く、6 次以上において 70%程度の回折効率を達成できることがわかった。
回折格子は回折次数が高くなると光波と格子との電磁気的なカップリングが弱くなり、光波の挙動が波動光学で取り扱えるようになる。VB grating は低屈折率の媒質と高屈折率の媒質との界面において入射光が臨界角を超えている場合に、高次回折光においては低屈折率の層を全反射面として扱うことができるようになり、低屈折率媒質の幅を狭くするほど効率が高くなる。
（ただし、間隔が波長の数分の一以下ではエバネッセント結合により 0 次光に強度が分配されて効率が低下する。
）すなわち、全反射ミラー

Fig. 5 Diffraction image of liquid crystal gratings with the 1st order. Rows are the same gratings, columns aredifferent observation (Bragg) angles.

Fig. 6 Diffraction efficiencies of volume binary gratings for the 4th to 23th diffraction orders. n1=1.0, n2=1.55,
n3=1.55, Λ= 5 µm, L&S = 4.75:0.25 [µm], t = 9 µm, θ0=45°. Left panel: S polarization, right panel: P
polarization.
面が整列した Quasi-Bragg grating（次節）と見なすこともできる。
高アスペクト比の矩形格子を実現するために、豊田工業大学のナノテクノロジープラットフォームとの共同研究により、MEMS 技術を応用してフォトレジスト等の矩形回折格子の製作法を開発した結果、L&S=4:1 [μm]、深さ 10μm の VB grating の製作条件を見出すことができた。この VB grating は入射角と回折角が 17.3°の場合に mλ=3μm（1 次@3.0μm, 2 次@1.5μm, 3 次@1.0μm…）の透過型回折格子として回折効率 60~70%程度であると見積もられている。しかし、上記のような WFOS 用の VB grating は製作が困難であることが分かった。
4. Quasi-Bragg grating
Quasi-Bragg (QB) grating は短冊状の金属膜あるいは低屈折率層が鎧戸やブラインドのように精度よく平行に配列された高次回折光用の透過型回折格子である。前節と同じく WFOS 用を想定した QB gratingについて RCWA 法の数値解析を行った結果、Fig.7 のように P 偏光より S 偏光の効率が高く、8 と 9 次で 60%程度、4~7 次と 10 次以上で 70%程度を達成できることがわかった。
東北大学 学際科学フロンティア研究所において、両面に厚さが均等な金の膜を堆積させた厚さ0.5mm21)の石英ミラー基板 20 枚を常温接合法 により積層して QB grating を試作した。また、平行平面基板自体をエッチングして厚さを維持したスペーサを形成した基板を積層することによって、格子周期の精度が高い QB grating を実現する方法を考案した。クロムがスパッタリングされたミラー面の裏面にエッチングによりエンボス（スペーサ）を形成した 0.5mm の石英ミラー基板 47 枚を紫外線硬化型接着剤により積層して、QB grating を試作した。
これらの QB grating と以前に試作したクロムがスパッタリングされたミラー基板をガラスビーズが混

Fig. 7 Diffraction efficiencies of QB gratings for the 4th to 20th diffraction orders. n0 =1.0, n1 =1.54, Λ = 5 µm, t =9 µm, θB = 45°. Left panel: S polarization, right panel: P polarization.

Fig. 8 Diffracted beam images of QB gratings, Quasi-Bragg angle: 45°. QB grating on the top panel is that silica
glass substrates of 0.2mm in thickness deposit with chromium film on one side are laminated by adhesive mixed
with glass beads of 10 µm in diameter. QB grating on the middle panels is that silica glass substrates of 0.5 mm inthickness deposit with gold film on both sides are laminated by fusion of gold in room temperature. QB grating on
the bottom panels is that silica glass substrates of 0.5 mm in thickness with emboss laminated by adhesive.
入された接着剤で積層したQB gratinの回折像を観察したところ、ガラスビーズが混入された接着剤で積層したQB gratinは、ガラスビーズの直径のばらつきのために、Fig. 8の上段のように可視光においては回折格子として機能しないことがわかった。一方、常温接合法により積層されたQB gratingは Fig. 7の中段のように可視光において極めて高い格子周期精度であることが分かった。また、エンボス基板を積層したQB gratingは接着の条件が最適ではなかったため、Fig. 8の下段のように部分的に周期誤差があるものの、可視光においても実用的な精度の格子間隔を実現できることを確認した。
5. Immersion grating（近-中間赤外線・高分散分光観測装置用）
昨年度に開発した 60 枚刃の単結晶ダイアモンド・エンドミルによってシリコン基板に V 溝加工を行った。その結果、エンドミルの側面と底面とのエッジ部分によって加工された面は比較的滑らかであるが、側面の歯の部分によって加工された面には脆性破壊が見られた。その原因として歯の稜部が曲面になっているために加工層を除去できず、押し潰しているためではないかと考えられる。改善策として、側面を研磨して歯の稜部に鈍角（負のすくい角）のエッジを設けることが考えられる。
6. Reflector facet transmission grating
前述の VB grating や QB grating は、格子間隔が 2~5μm 程度の WFOS 用の透過型回折格子の製作が困難である。Reflector facet transmission (RFT) grating は Fig. 9 左のようにノコギリ歯形状の格子の一方の面

Fig. 9 Schematic representation of reflector facet transmission (RFT) grating (Left panel). Fabrication process of
mirror substrate with emboss for RTF grating (Right panel).

Fig. 10 Diffraction efficiencies of QB gratings for the 4th to 23th diffraction orders. n0 =1.0, n1 =1.54, Λ = 5 µm, t =9 µm, θB = 45°. Left panel: S polarization, right panel: P polarization.
から入射した光束が、格子のもう一方の面で反射して格子の裏面の平面から光束が出射する新しい格子構造の回折格子（特許出願）である。VB grating や QB grating と同様に WFOS 用を想定した RCWA法の数値解析を行った結果、Fig.10 のように S と P 偏光の効率がほぼ等しく、4 次より高次において80%程度の回折効率を達成できることがわかった。さらに RFT 回折格子は QB 回折格子や VB 回折格子より製作が容易であると見込まれる。
7. 回折格子測定装置の改造以前に開発した回折格子測定装置の改造を行なった。当初はパソコンとA/Dコンバータの交換および制御ソフトの修正を行なう予定であったが、回転ステージのモータドライバが最新のパソコンOSに対応していないことが判明したため、回転ステージとモータドライバも交換することになり、制御ソフトは新たに作成することになった。さらにモノクロメータの波長走査も自動化した。

8. 成果報告・特許

1) 国内会議口頭発表
・海老塚 昇 他, "次世代天文学観測装置用の新しい高分散回折格子", 第 40 回光学シンポジウム, 東京大学生産技術研究所, 2015 年 6 月 25, 26 日
・海老塚 昇 他, "次世代天文学観測装置用の新しい回折格子", 2015 年精密工学会秋季大会講演, 東北大学, 2015 年 9 月 4-6 日
・海老塚 昇他, "新しい高分散回折格子", 近赤外高分散分光研究会：地球型惑星探索と広がるサイエンス,
国立天文台 (三鷹), 2015 年 11 月 24-26 日
・海老塚 昇 他, "次世代天文学観測装置用の新しい回折格子", 第 5 回 可視赤外線観測装置技術ワーク
ショップ, 東北大学, 2015 年 12 月 7-9 日
2) 国内会議ポスター発表
・N. Ebizuka et al., "Current Status of Novel Gratings fot Next Generation Astronomical Instruments II", Subaru
Users' Meeting FY2014, 国立天文台 (三鷹), 2015 年 1 月 13-15 日
・海老塚 昇 他, "次世代観測装置用の新しい回折格子", 2015 年度光学赤外線天文連絡会シンポジウム「光赤外将来計画, 国立天文台 (三鷹) , 2015 年 9 月 14-16 日
3) 特 許・海老塚 昇, 岡本 隆之, 山形 豊, “光学素子およびその製造方法”（Quasi-Bragg gratingの製作方法）, 2015
年9月3日出願
・海老塚 昇, 岡本 隆之, 細畠 拓也, 山形 豊, “透過型回折格子、光導波路、ならびに透過型回折格子の使用方法および設計方法” （Reflector facet transmission grating）, 2016 年 3 月 31 日特許出願

使用実績報告書
１．総括表
区分費

目

予算額（円）

決算額（円）

研究費の充当額（円）600,000

648,000

648,000

支 消耗品費1,160,00

1,128, 060

1,126, 100

出 その他の経費

400,000

385900383,900

合計

2,160,000

2,161,960

2,160,000

研究費の額

2,160,000

2,160,000

収 自己調達額

01,9602,160,000

2,161,960

設備備品費

備 考

入 その他
合計

２．決算費目別内訳(Ａ)支出
ａ 設備備品費
種 別

仕 様数量

モノクロ
メータ

DU-25型波長
駆動装置

単価
(円)

1648,000

金額
(円)

発注年
月日
2015年
648,000
12月24日

引取年
月日
2016年
3月2日

支払年
備 考月日
2016年
MC-10N分光器用
3月29日

648,000

計ｂ 消耗品費
種 別

仕 様

石英基板
クロム+レジスト基板
マスクケースQuasi-Bragg grating
石英ウエハ

100×100×t0.5
両面クロム+レジスト塗布
100×100基板10枚用
23.5×4×t0.5, 46枚積層
φ50×t0.52

計

単 価 金 額
支払年月日 備 考（円）
(円)
10 10,584 105,840 2016年1月 7日
10 21,168 211,680 2016年1月27日
2,700 2016年1月27日
1 2,700
1 518,400 518,400 2016年3月29日 試作品
100 2,894.4 289,440 2016年3月29日

数量1,128, 060ｃ その他の経費
数 単 価 金 額 発注年月 引取年月 支払年月
備考
量 (円) (円) 日日日
2015 年 東大生産研、6月
国内旅費（光学 武蔵境-駒場東
3,000
21,500
7 月 17 日 25~26日
シンポジウム） 大前
2015年
2015年 2015 年 東大生産研、6月
光学シンポジ
1 6,000 6,000
6月30日
6月30日
7 月 17 日 25~26日
ウム参加費
2015 年 東北大学（川内）
国内旅費（精密、武蔵境-仙台
110月16日 9月3~4日
工学会）
36,420 36,420
2015 年 名古屋大学、11月9日、
国内旅費（研究 武蔵境-名古屋
1
豊田工大、11月10日
大学-相生山37,260
12月18日打合せ）
37,260
種 別摘 要国内旅費（観測装置 WS）

武蔵境-青葉山 1

国内旅費（すば武蔵境-熱海る UM）

146,820 46,820

2016 年 東北大学（青葉山）、
1 月 15 日 12 月 7~9 日

34,840 34,840

2016 年 KKRホテル熱海、1
2 月 19 日 月19~21日

国内旅費（研究打武蔵境-神領-摂合せ、天文スペク
1津本山
トル研究会）
61,560 61,560
ナノテクプラット
フォーム利用料

1 160,000 160,000

別

研究費の額
自己調達額
その計

2015年
4月1日

2016年 4 2016 年
豊田工大
月6日 2 月 24 日

385,900

計(Ｂ)収入種2016 年 中部大学、2月26日、
3 月 18 日 甲南大学、2月27~28日

摘要

TMT戦略基礎開発経費

金額 (円)

備考

2,160,000
1,960

他
2,161,960（注）共同研究の実施に際し、収入を得た場合や取引相手先からの納入遅延金が発生した場合には、収入の欄におけるその他に計上すること。