これからの近赤外高分散分光

小林 尚人 （東大天文センター）池田 優二 （フォトコーディング）

他、共同研究者安井 千香子、近藤 荘平、本原 顕太郎、南 篤志(東京大学)寺田 宏、表 泰秀（国立天文台）、所 仁志、平原 靖大（名古屋大学）、塩谷圭吾（宇宙研）

近赤外イマージョングレーティングＷＩＮＥＲＥＤ for ０．９－１．３５μｍ

１ 背景 ： 近赤外高分散分光の高いニーズ

地球型惑星探査 （低質量星、YSO）

GRB／QSO吸収線系 （宇宙の化学進化）

YSO／晩期型星周物質運動学 （ジェット、ディスク）

赤外線星の金属量（星生成領域、バルジ、球状星団・・・）

可視領域 （300nm~1000nm）R=100,000の分光器が一般的（KeckII/HIRES、SUBARU/HDS、

VLT/UVES）

近赤外域（900nm~5.5um）KeckII/NIRSPEC R= 23,000SUBARU/IRCS R= 20,000Gemini-S/GNIRS R= 18,000Gemini-S/Pheonix R= 75,000 @ 0.18” slit(CRIRES/VLT R=100,000 2006-)

１ 背景 ： 現在活躍中の近赤外高分散分光器

← 技術的には大型冷却デュワ－および冷却光学素子製作の困難さが原因

ＨＤＳ

ＩＲＣＳ

１ 背景 ： 次世代の近赤外高分散分光プラットフォーム

地上観測（TMT、OWL、GMT、JELT、、、）

飛翔体観測（JWST、SPICA、、、）

TMT

OWL

SPICA

JWST

プラットフォームの大口径（大集光力）化によって、高分散分光器の必要性が高まっている

１ 背景 ： 次世代の近赤外高分散分光プラットフォーム

地上観測： 30m望遠鏡においてはますます大きなサイズ

の回折格子（エシェル）／分光器が必要ex. 400mm echelle for CRIRES@VLT

→ 1500mm echelle needed for 30m tel !!

エシェル分光器の波長分解能

R = 2 n φ tanθ／ s Dn: 屈折率、φ：コリメータビーム径

θ：ブレーズ角、s：スリット幅、D：望遠鏡口径

スペース観測： そもそも地上ナスミス台に設置されるような大型分光器（φ>100mm）は搭載不可能

→ φはせいぜい30mmが限界？

for CRIRES

for TMT

２ キーテクノロジー（その１）近赤外用イマージョン回折格子

イマージョン回折格子

n

θ

エシェル分光器の波長分解能

R = 2 n φ tanθ／ s Dn: 屈折率、φ：コリメータビーム径

θ：ブレーズ角、s：スリット幅、D：望遠鏡口径

２ 近赤外用イマージョン回折格子 ：赤外線用結晶材料

Ge (n=4.0)

Si (n=3.4)

CdTe (n=2.6)

ZnSe (n=2.4)

ZnS (n=2.3)

10 20 40μm305321

GaAs (n=3.4)

IV族

II-VI族

atomic lines

molecular lines

10 20 40μm305321

WINERED（0.9～1.4um）

SPICA/high res.spec(5.0～20um)

２ 近赤外用イマージョン回折格子Science Strategy：近赤外から中間赤外まで

相補的に近中間赤外全波長を高分散で観測可能なシステムを目指す

NIRCS 寺田・表

(1.4～5.5um)

２ 近赤外用イマージョン回折格子の開発 ：イマージョン回折格子のスペック

波長 分解能 材質 溝ピッチ 有効径

WINERED 0.9~1.35μm

１０万 ZnSeor

ZnSSi

ZnSeor

CdTe

70mmΦ

NIRCS 1.25～5.5μm

７万

30μm

30μm 25mmΦ

SPICA high res.spec

5.0～20μm

３万 200μm

35mmΦ

材料特性としては、IV族（Ge、Si）とII-VI族（ZnSe, ZnS,CdTe）

に分けられる

２ 近赤外イマージョングレーティング開発状況 --- ZnSe/ZnS （II-VI族材料）

ＷＩＮＥＲＥＤ用

2005年度まで加工方法： ELID研削加工 ＠理研／新世代加工システム成果： (1) ZnSeによる延性加工条件を見出す

(2) サンプル品の光学測定法の確立溝ピッチ誤差 ～30nm RMS角R > 15μｍ

Ｅbizuka et al. (2003)

2006年度切削による溝加工のR&Dをスタート （角R < 1μmを目指す）

ZnS（multispec） … 名古屋大学装置開発室

松下、増田ほか国立天文台先端技術センター

三ツ井、岡田、常田ZnSe … LBNL

Kuzmenko, P.高精度切削機

Kzumenko et al. (2006) Geの例

２ 近赤外イマージョングレーティング開発状況 --- ZnSe/ZnS （II-VI族材料）

ＷＩＮＥＲＥＤ用

２ 近赤外イマージョングレーティング開発状況 ： Si （IV族材料）

ＮＩＲＣＳ用

2005年末より開始加工方法： Siのドライエッチング ＠NTT-AT N㈱成果： サンプル品（NTT-AT N殿より貸与）の

光学試験特性の評価(a) 面粗度 < 2nm (RMS)(b) 面精度 < λ/4(c) ピッチ誤差 < 10nm (RMS)

NTT-AT N提供

* NTT-AT N㈱ = NTT-AT ナノファブリケーション株式会社

２ 近赤外イマージョングレーティング開発状況 ： Si （IV族材料）

ＮＩＲＣＳ用

•海外のケミカルエッチングのもの(Texas大Jaffeグループ：Mar et al. 2006)と比較して、表面精度・角Ｒで優れている

→ 今後はドライエッチングが取って代わる可能性あり

2006年

・試験回折格子を試作・コーティング（金）の試験

2007年

・本番用2008-9年

・ＮＩＲＣＳにimmersion moduleとしてインストール

３ ＷＩＮＥＲＥＤ次世代近赤外高分散分光器の先駆けとして

WINERED: Warm Infrared WINERED: Warm Infrared EchelleEchelle--spectrographspectrographto Realize Extraordinaryto Realize ExtraordinaryDispersionDispersion

WINEREDとは？• R>１００，０００の近赤外高分散分光器• 波長０．９－１．３５μｍ• 高い効率（＞２５％）• ＰＩタイプでどの４－１０ｍ望遠鏡にもつけられる

http://www.ioa.s.u-tokyo.ac.jp/winered

WINERED OutlineWINERED Outline

R_max = 100,000Throughput > 25 %Portable PI instrument

(1)Warm optics λ0.9－1.35μｍ(2)ZnSe immersion grating

1m

Ikeda et al. 2006, SPIE Yasui et al. 2006, SPIE

Spec.

Approach

３ ＷＩＮＥＲＥＤ次世代近赤外高分散分光器の先駆けとして

Immersion grating (R=100,000)

Normal grating (R=30,000)

Yasui et al. 2006, SPIE

３ ＷＩＮＥＲＥＤ次世代近赤外高分散分光器の先駆けとして

0℃

-50℃

・ 30分積分・ リードアウトノイズσ= 10e を仮定

波長域 0.9-1.35um

⇒ Hバンドまでなら、装置全体－50℃まで冷やせばよい。（FMOSのような

“大型冷蔵庫”は使える）

⇒ Kバンド以上は、装置全体の冷却が不可避。

•周囲からの熱放射が無視できる

•可視と赤外のニッチ波長域ｚＹＪバンド（未開拓）

周囲からの熱放射

Kondo et al. 2006, SPIE

・設計終了、各コンポーネント発注→年度末に集める

・検出器読み出しシステム（ＵＴＩＲＡＣ）を開発済み近藤、本原 Kondo et al. 2006 SPIE

・４ｍクラスの望遠鏡に常駐／ときおり８ｍクラスに（十分な感度）

ＷＨＴ，ＮＴＴ／ＶＬＴ，Ｋｅｃｋ

・分光器としては完成度の高いものに→ あとは赤外線検出器の予算が必要！

３ ＷＩＮＥＲＥＤ進捗状況とプラン

４ まとめと今後のスケジュール

・我々は、これから10年後までの赤外線高分散分光器に

搭載すべく、近（中間）赤外イマージョン回折格子の開発を行っている。

・搭載装置は、WINERED、NIRCS（地上）、SPICA（スペース）

を検討しており、それらは波長域よって住み分けされる。

・最初の分光器として、近赤外０．９－１．３５umを対象とした

ＷＩＮＥＲＥＤを開発している。

２ 近赤外イマージョングレーティング開発状況 --- ZnSe/ZnS （II-VI族材料）

ＷＩＮＥＲＥＤ用

2005年度までELID研削加工によるＲ＆Ｄ ＠理研／新世代加工システム

大森研成果： (1) ZnSeによる延性加工条件を見出す

(2) サンプル品の光学測定法の確立溝ピッチ誤差 ～30nm RMS角R > 15μｍ

2006年度ZnSe/ZnS 減衰量（吸収＋散乱）の測定

→ 多結晶であるがゆえ（？）の散乱効果が顕著（？）効率が、１umあたりで期待値の85%程度に落ちる

より効率を上げるために、光路長の短い回折格子の方式等を検討中

（例）小ブロックのパラレル配置グレーティングのモザイキングと同じ

２ 近赤外イマージョングレーティング開発状況 --- ZnSe/ZnS （II-VI族材料）