Nella vita di tutti i giorni, conosciamo i laser da numerose applicazioni come la stampante laser o lo scanner del supermercato. Industrialmente, i laser sono utilizzati nella lavorazione dei materiali per il taglio, perforazione ed etichettatura, e in medicina per procedure diagnostiche e terapeutiche. I metodi di spettroscopia laser sono indispensabili anche nella ricerca scientifica.

L'educazione teorica in ottica è stabilita nelle scuole, università e siti industriali. Però, è difficile insegnare e apprendere la configurazione e la corretta gestione degli esperimenti ottici. A causa dei costi elevati, le attrezzature e il personale docente sono generalmente limitati. Inoltre, la radiazione laser è pericolosa, quindi devono essere seguiti rigidi protocolli di sicurezza degli occhi.

Nuovo approccio didattico nella realtà virtuale

Ora, gli scienziati dell'Università Julius-Maximilians (JMU) di Würzburg hanno sviluppato il nuovo laboratorio laser di realtà virtuale (VR) "femtoPro". In femtoPro, gli utenti indossano occhiali VR e manipolano elementi ottici su un tavolo laser VR. In questo modo, il posizionamento grossolano e fine degli specchi, lenti a contatto, le aperture dell'iride o altri dispositivi possono essere modificati in modo intuitivo e con la stessa attenzione ai dettagli del laboratorio reale. Le proprietà e gli effetti di questi elementi sul raggio laser sono calcolati e visualizzati in tempo reale secondo leggi fisiche.

"I simulatori di volo sono diventati indispensabili per l'addestramento pratico realistico dei piloti. Ora abbiamo applicato questo concetto ai laser a breve impulso per la prima volta in tutto il mondo, " spiega il professor Tobias Brixner, uno degli sviluppatori femtoPro e capo della cattedra di chimica fisica I presso la JMU Würzburg, la cui ricerca si concentra sugli impulsi laser ultracorti.

Costi contenuti nonostante l'elevata complessità

La difficoltà con l'approccio VR è che, contrariamente alle credenze popolari, i raggi laser non sono solo "a forma di linea, " ma hanno una sezione trasversale "gaussiana" il cui diametro può aumentare e diminuire man mano che si propagano. Inoltre, l'interazione con la materia è molto complessa e comprende fenomeni ampiamente noti come la rifrazione della luce su un vetro, così come l'ottica non lineare che porta alla conversione di frequenza (cioè, cambio di colore). Di conseguenza, una simulazione accurata di solito richiede molto tempo.

"Per realizzare un laboratorio di apprendimento interattivo per tali sistemi ottici in VR, abbiamo dovuto accelerare i calcoli necessari in modo che vengano eseguiti in tempo reale su una piattaforma VR consumer disponibile in commercio, " spiega il partner di cooperazione, il professor Sebastian von Mammen, capo del gruppo di ingegneria dei giochi presso la cattedra di informatica per l'interazione uomo-macchina presso JMU. Di conseguenza, i costi di acquisizione del laboratorio virtuale ammontano a poche centinaia di euro, mentre un vero laboratorio laser a impulsi brevi richiederebbe un investimento di centinaia di migliaia di euro.

Lancio del prodotto all'evento "Highlights der Physik"

Dopo due anni di lavoro di sviluppo, la prima versione di femtoPro sarà ora presentata per la prima volta al pubblico in occasione dell'evento "Highlights der Physik" a Würzburg. Nell'ambito di una grande mostra pratica al mercato dal 28 settembre al 2 ottobre, 2021, le parti interessate possono indossare essi stessi occhiali VR presso lo stand B2 ("Che la Forza sia con te! - Spada laser e impulsi laser") e sperimentare con i laser nel laboratorio virtuale.