高分散グリズムおよびImmersion Gratingの開発

海老塚昇1・岡恵子1, 2・小舘香椎子2・平原靖大3・川端弘治4・家正則5

理化学研究所1・日本女子大学理学部2・名古屋大学理学部3 ・広島大学理学部4・国立天文台5

光赤外将来計画検討会・検討報告会 2004年1月21, 22日

反射型回折格子

透過型回折格子 グリズム

各種回折格子を用いた同一波長分散の分光器サイズ

反射型回折格子とグリズムの対物分光器

Trispec用グリズム（名

古屋大学理学部）

しし座流星群の対物分光観測用グリズムおよび透過型回折格子

CIAO用グリズム（フッ素系樹脂Cytop 製）

各種グリズムと透過型回折格子

QuickTimeý DzGIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

�ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

1.0 10.00.5 5.0 20.00.3Wavelength (μm)

2.01

10

100

1,000

10,000

100,000

1,000,000

HDS

FOCAS

Suprime-Cam

OHS (CISCO)

CIAO

IRCS

COMICSRis

olvi

mg

Pow

er

すばる望遠鏡観測装置の波長帯域と分解能

Ion-beam

Substrate Photoresist(a)

(b)

(c)

斜入射イオンビームエッチングによるニオブ酸リチウムのグリズムの加工

α

θ1θ4

α

θ2

n1 n2 n3

β

θ3

α-θ1

β-θ4

θ5VPH格子

n1

α

β

n0 =1.0 n2

θ in θ1

α+θ1θ2

θout

θ0

0次回折光

1次回折光

SR (Surface Relief)型とVPH (Volume Phase Holographic)グリズムの回折効率

FOCAS用各種グリズムサイズ:110×106×最大106 [mm]。右から低分散 ( R=600@0.4”スリット使用時) 、中分散 (R=1,400) と高分散エシェルタイプ(R=2,600)のSR (レプリカ) グリズムおよび、高分散VPHグリズム (R=2,600)。

α

θ1θ4

α

θ2

n1 n2 n3

β

θ3

α-θ1

β-θ4

θ5VPH格子

超高分散（800nm直進, R=6,000, ZnSeプリズム）のVPHグリズム

入射面およびプリズムと格子の界面における屈折の式はsinα = n1sinθ1 ･･･(1)

n1sin(α-θ1) = n2sinθ2 ･･･(2)である。臨界角はθ2が90゜すなわちsinθ2が1.0なので

sin(α-θ1) = n2 / n1 ･･･(3)である。式(1)に(3)を代入して

sinα = n1 sin {α- sin-1 (n2 / n1 ) } ･･･(4)である。ここでn1=1.5、n2=2.3とするとα=63.6゜である。n1とn2の臨界角が40.7゜、VPHグリズムはプリズムを2個使用するのでSR型と光路差が2tan(63.6)/tan(40.7)=4.7、すなわち約4.7倍の分解能を得ることができる。

SR型とVPH回折格子の回折効率

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

300 400 500 600 700 800 900 1000

VPH (0.02, 400 nm)VPH (0.02, 600 nm)VPH (0.02, 800 nm)VPH(0.02, Bragg)VPH(0.04, 400 nm)Surface relief grating

Eff

icie

ncy

Wavelength [nm]

n=2

n≠2頂角可変VPHグリズムの分光器

α

θ1θ4

α

θ2

n1 n2 n3

β

θ3

α-θ1

β-θ4

θ5VPH格子頂角可変VPHグリズム

VPHの格子周期をdとするとブラッグ回折の式は、mλ= 2n2d sin θb ･･･(1)

である。ここでθbはブラッグ角である。入射面およびプリズムと格子の界面における屈折の式はそれぞれ、

sinα = n1sinθ1 ･･･(2)n1sin(α-θ1) = n2sinθ2 ･･･(3)

である。θ2=θbとして式(1)に(3)を代入すると、mλ= 2n1dsin(α-θ1) ･･･(4)

である。ここでn1=2.0の場合に式(2)よりsinα=2sin θ1なのでα=2θ1と見なすと式(4)は、

mλ= 2d sinα ･･･(5)が導かれる。すなわち頂角αを変えることによって高い効率を保ったまま波長を変えることができる。

エシェルグラム

α

θ1θ4

α

θ2

n1 n2 n3

β

θ3

α-θ1

β-θ4

θ5

櫛形格子

θ2 θ2

t

反射面

櫛形回折格子の高次高分散グリズム

まとめ（グリズム）・SR回折格子は低分散において高い効率。・VPH回折格子は高分散高効率を実現可能。・グリズム分光器は小型化が容易。

・VPHグリズムは高効率を保ったまま波長可変。・櫛形回折格子は広い波長範囲で高分散高効率を

実現可能。

今後の課題（グリズム）・波長可変VPHグリズムおよび分光器の開発。・櫛形回折格子の試作および実証実験。

. .

1.0 10.00.5 5.0 20.00.3Wavelength (μm)

2.01

10

100

1,000

10,000

100,000

1,000,000

HDS

FOCAS

Suprime-Cam

OHS(CISCO)

CIAO

IRCS

COMICS

IRHSPrototype

R i s o l v i m g P o w e r

Prototype IRHSfor NIR

Resolving power and wavelength range of instruments for the Subaru Telescope.

∆L=2nsL

ns

LLL

∆L=2L ∆L=(ns-1)L

(a) Reflection grating (b) Grism (c) Immersion grating

ns

The germanium immersion grating could reduce as 1/16 as the total volume of a spectrograph compared with a one of a conventional reflection grating.

Mid-infrared high dispersion spectrograph with a Ge immersion grating. R～200,000@10μm.

30 x 30 x 72 [mm], α=68.75 [deg.] ,R～50,000@10μm

Fabrication of GeImmersion grating

No.3, PV: 961nm, rms: 154nm

No.4, PV: 583nm, rms: 87nm

No.5, PV: 577nm, rms: 107nm

Wave front error (633nm, left) and far field images (10.6µm, right) of immersion gratings.

Cross section of far-field image of immersion gratings. No. 4: R～44,000@10μm

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-1000 -500 0 500 1000

ReferenceNo.3No.4No.5

Inte

ncity

[Nor

mar

ized

]

[Micron]

Prototype IRHS.R～50,000@10μm

Germanium prism with 120 x 120 x 270 in mm of an immersion grating for the regular IRHS.

Heated solder could see through a germanium of 120 mm in thickness by means of an infrared camera (10μm).

Test fabrications with a germanium plate of 120 x 270 x 5 in mm.

Immersion grating for SPICA• Wavelength : (2～) 5～20μm• Material : Germanium• Size : 60 x 60 x 140 [mm]• Vertex angle : 68.75 [deg.]• Resolving power: R～200,000 @5μm

: R～100,000 @10μm

• Wavelength : 20～50μm• Material : Silicon ?• Size : 120 x 120 x 280 [mm]• Vertex angle : 68.75 [deg.]• Resolving power: R～75,000 @20μm

R～50,000 @30μm

Mid-infrared high dispersion spectrograph for SPICA, R～100,000@10μm

Incident slit (0.7": 0.15mm)

Collimatingmirrorf=600

Littorewmirror f=600

Germanium immersion grating 60 x 60 x 140mm,3.4grooves/mm, α=68.75 deg.

Cross disperser (Reflection grating)

Si:As detector 1028 x 1028 pix

Total number of pixcels: 1024 x 1024 pix Echells format: 100th (20µm) - 400th (5µm),0.04nm/pix, 10pix/order at 10µm

Camera mirror f=300, F/6

Fore optics F/12

Follding mirrors

500mm