Die theoretische Ausbildung im Bereich Optik ist an Schulen, Universitäten und Industriestandorten etabliert. Allerdings ist es herausfordernd, den Aufbau und die richtige Handhabung optischer Experimente zu vermitteln und zu erlernen. Durch hohe Kosten stehen in der Regel nur begrenzt Ausstattung und Lehrpersonal zur Verfügung. Zudem ist Laserstrahlung gefährlich, sodass strikte Vorgaben zur Augensicherheit beachtet werden müssen. Wissenschaftler der Uni Würzburg haben deshalb das neuartige virtuelle Laserlabor „femtoPro“ entwickelt.
Bei der Nutzung von „femtoPro“ tragen Anwender eine VR-Brille und bewegen optische Elemente auf einem VR-Lasertisch. So lässt sich die Grob- und Feinpositionierung von Spiegeln, Linsen, Irisblenden oder weiteren Geräten intuitiv und detailgetreu wie im realen Labor verändern. Dabei werden die Eigenschaften und Wirkungen dieser Elemente auf den Laserstrahl nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten in Echtzeit berechnet und dargestellt.
„Flugsimulatoren sind für die realistische praktische Ausbildung von Piloten nicht mehr wegzudenken. Wir haben dieses Konzept nun weltweit erstmals auf Kurzpulslaser übertragen“, erklärt Tobias Brixner von der Uni Würzburg, der sich in seiner Forschung mit ultrakurzen Laserpulsen beschäftigt.
Die Schwierigkeit beim VR-Ansatz: Laserstrahlen sind, entgegen landläufiger Meinung, nicht nur linienförmig, sondern sie haben einen gaußförmigen Querschnitt, dessen Durchmesser während der Ausbreitung größer und kleiner werden kann. Die Wechselwirkung mit Materie ist zudem hochkomplex und umfasst neben weithin bekannten Phänomenen wie der Lichtbrechung an einem Glas auch die nichtlineare Optik, die zu einer Frequenzumwandlung führt. Daher ist eine genaue Simulation in der Regel sehr zeitaufwändig.
„Um ein interaktives Lernlabor für derartige optische Systeme in VR zu verwirklichen, mussten wir die notwendigen Berechnungen so beschleunigen, dass sie auf einer handelsüblichen Consumer-VR-Plattform in Echtzeit ablaufen“, erläutert Sebastian von Mammen von der Uni Würzburg. Als Folge belaufen sich die Anschaffungskosten des virtuellen Labors auf nur wenige hundert Euro, während ein reales Kurzpuls-Laserlabor hunderttausende Euro kosten würde. Zukünftig soll „femtoPro“ nicht nur zur Lehre in Würzburg eingesetzt werden, sondern auch anderen Universitäten und Schulen zur Verfügung stehen.
JMU / RK
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