Interaktive Laserlabor-Simulation "femtoPro" in virtueller Realität
Projektziel: Etablierung einer praktischen Ausbildung im sicheren Umgang mit Lasern
Status: abgeschlossen
Vorhaben
Im Projekt wird die interaktive Simulation eines Laserlabors (femtoPro) in virtueller Realität (VR) für Forschung und Lehre weiterentwickelt. Die erste Programmversion enthält physikalische Modelle zur Berechnung und Visualisierung der Ausbreitung von (Gaußschen) Laserstrahlen, ultrakurzen optischen Pulsen, deren Modulation durch typische optische Elemente, und der linearen sowie nichtlinearen Licht-Materie-Wechselwirkung. Das Programm wird seit dem Sommersemester 2022 in einem vorlesungsbegleitenden virtuellen Praktikum zur Lehrveranstaltung „Ultrakurzzeitspektroskopie und Quantenkontrolle“ an der JMU eingesetzt. Dort erhalten die Studierenden wöchentliche Übungsaufgaben, bei welchen sie spezielle „Missionen“ in femtoPro bearbeiten, dokumentieren, und präsentieren.
Durch die Simulation sammeln Studierende der Physikalischen Chemie und Physik erste praktische Erfahrungen im sicheren und verantwortungsbewussten Umgang mit Laserstrahlung und vertiefen die in Vorlesungen erlernten theoretischen Sachverhalte.
Die erste Programmversion enthält physikalische Modelle zur Berechnung und Visualisierung der Ausbreitung von (Gaußschen) Laserstrahlen, ultrakurzen optischen Pulsen, deren Modulation durch typische optische Elemente, und der linearen sowie nichtlinearen Licht-Materie-Wechselwirkung.
Das Programm wird seit dem Sommersemester 2022 in einem vorlesungsbegleitenden virtuellen Praktikum zur Lehrveranstaltung „Ultrakurzzeitspektroskopie und Quantenkontrolle“ an der JMU eingesetzt. Dort erhalten die Studierenden wöchentliche Übungsaufgaben, bei welchen sie spezielle „Missionen“ in femtoPro bearbeiten, dokumentieren, und präsentieren.
Der große Mehrwert des Programms ist, dass Studierende praktische Erfahrungen mit gängigen Arbeitsmethoden der Physik bzw. der Physikalischen Chemie sammeln, die im realen Setting aktuell nicht im selben Maße möglich sind. Mit femtoPro erlernen sie, verschiedene typische optische Anordnungen aufzubauen, zu justieren, und zu verwenden. Dies beinhaltet einfache optische Elemente wie Spiegel, Linsen oder Blenden sowie komplexe Anordnungen wie Teleskope, Interferometer oder Spektrometer. Nutzende erlernen die richtige Handhabung durch direktes Üben in VR und Echtzeit. Ein zentraler Aspekt ist das unmittelbare Feedback, bei dem auf falsche bzw. gefährliche Handgriffe direkt hingewiesen wird. Im Vergleich zu unbeaufsichtigten Übungen ist die Ausbildung somit effektiver. Speziell entwickelte Trainingsmissionen führen Schritt für Schritt durch den Aufbau.
Geplant ist außerdem, die einzigartigen Interaktions- und Visualisierungsmöglichkeiten von VR auszuschöpfen, um schwer zugängliche Sachverhalte geeignet anzuleiten und darzustellen. Ein Beispiel hierfür wäre eine sogenannte "Ultrakurzzeitlupe", die die Ausbreitung einzelner Laserpulse in stark verlangsamter Zeit interaktiv visualisiert und damit die aus der Wechselwirkung mit optischen Elementen resultierende Dispersion veranschaulicht.
Neben der erheblichen Kostenersparnis im Bereich der Praktikumsveranstaltungen, ergeben sich für femtoPro Nutzungsmöglichkeiten in alle Disziplinen, in denen optische Experimente zum Einsatz kommen. Derartige Experimente lassen sich sowohl in den Bereichen Physik, Chemie und Biologie finden, aber auch in ingenieurswissenschaftlichen Fachbereichen. Daraus ergibt sich auch die Verwendung in der Ausbildung von Personal in der Industrie wie bei der Materialbearbeitung oder der Medizintechnik. Da mittels femtoPro insbesondere der sichere Umgang mit Laserstrahlung erlernt und trainiert werden kann, ist das Programm zudem für Lasersicherheitskurse geeignet.
Weiterhin ist ein Einsatz von femtoPro in der Forschung geplant, wie z. B. bei Workshops in interdisziplinären Forschungsprojekten, womit das Verständnis von Licht-Materie-Wechselwirkung und Laserspektroskopie von beteiligten Wissenschaftler:innen auf eine gemeinsame Ebene gebracht und so wissenschaftlicher Austausch stimuliert werden kann.
Zusätzliche Einsatzmöglichkeiten liegen in der Wissenschaftskommunikation oder in Bereich der Schulbildung. Ein besonders eindrückliches Beispiel dafür ist die Präsentation von femtoPro bei den „Highlights der Physik“ 2021 in Würzburg: https://www.uni-wuerzburg.de/femtopro/publikationen/.
VR-Brillen sollen zukünftig, flankiert von den Inhalten der WueDive Toolbox, Lehrenden als einsatzbereite Seminarsets zur Verfügung gestellt werden. Diese Sets sollen die Erprobung von VR in der Lehre erleichtern. Die VR-Anwendung femtoPro könnte zu diesem Zweck in das Angebot aufgenommen werden.
femtoPro entstand in sehr enger Kooperation des Instituts für Physikalische Chemie mit dem Institut für Informatik. Die Funktionserweiterung bzw. die Programmierleistung wird von wissenschaftlichen Mitarbeitenden und Studierenden der JMU umgesetzt.
Durch den Austausch mit anderen Institutionen können weitere Transferpotentiale erschlossen werden.
Brixner, T. (2022). “Eine Art Flugsimulator für die Optik“. Physik Journal, 21 (1) S. 56. 156099 (pro-physik.de).
Brixner, T., Mueller, S., Müller, A., Knote, A., Schnepp, W., Truman, S., Vetter, A. & von Mammen, S. (2023). femtoPro: virtual-reality interactive training simulator of an ultrafast laser laboratory. Appl. Phys. B 129 (78). https://doi.org/10.1007/s00340-023-08018-7
Software: Laufzeit- und Entwicklungsumgebung Unity, Visual Studio, SmartGit.
Technisches Equipment: VR Headsets (Meta Quest und Pico Neo).
Impressionen
