24.09.2021 • OptikLaser

Weltpremiere für virtuelles Laserlabor

Virtual-Reality-Laserlabor „femtoPro“ simuliert komplexe Optikaufbauten in Echtzeit.

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.

Abb.: Screen­shot aus „femtoPro“ – das Virtual-Reality-Laser­labor...
Abb.: Screen­shot aus „femtoPro“ – das Virtual-Reality-Laser­labor simu­liert kom­plexe Optik­auf­bauten in Echt­zeit und macht ein augen­sicheres Training der Hand­habung von Kurz­puls-Lasern möglich. (Bild: JMU)

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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