維爾茨堡大學(xué)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了新穎的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）激光實(shí)驗(yàn)室——“femtoPro”，可用于教學(xué)和科研，成本更低、也更安全。

我們知道在日常生活中激光有許多應(yīng)用，如激光打印機(jī)或超市掃描儀。在工業(yè)上，激光用于切割、鉆孔和打標(biāo)的材料加工，以及用于醫(yī)學(xué)診斷和治療。激光光譜學(xué)在科學(xué)研究中也不可或缺。

與此同時(shí)，光學(xué)理論教育也在蓬勃發(fā)展，在高校和企業(yè)等多地開(kāi)花。然而，光學(xué)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)的正確處理的“教學(xué)”又與傳統(tǒng)教學(xué)不同，極具挑戰(zhàn)性。由于成本高，設(shè)備較有限，教學(xué)人員也缺乏。此外，激光輻射危險(xiǎn)，因此必須遵守嚴(yán)格的眼睛安全保障協(xié)議。

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）教學(xué)新方法

維爾茨堡大學(xué)

現(xiàn)在，維爾茨堡大學(xué)(Julius-Maximilians-University,JMU)的科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了新穎的虛擬現(xiàn)實(shí)激光實(shí)驗(yàn)室——“femtoPro”。在femtoPro中，用戶(hù)戴著虛擬現(xiàn)實(shí)護(hù)目鏡，在虛擬現(xiàn)實(shí)激光臺(tái)上操縱光學(xué)元件。通過(guò)這種方式，可以直觀地改變透鏡、光圈或其他設(shè)備的配置，并像在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中一樣聚焦細(xì)節(jié)。這些配置對(duì)激光束性質(zhì)等的影響可根據(jù)物理定律實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示的。

femtoPro的開(kāi)發(fā)者之一、JMU物理化學(xué)系主任、專(zhuān)門(mén)研究超短激光脈沖的Tobias Brixner教授解釋道: “飛行模擬已經(jīng)成為飛行員實(shí)踐訓(xùn)練不可或缺的工具。我們現(xiàn)在在全球范圍內(nèi)首次將模擬這一概念應(yīng)用于短脈沖激光器。”VR的挑戰(zhàn)在于，與大家的普遍看法相反，激光束不僅僅是“線(xiàn)形的”，而且具有“高斯橫截面”，其直徑隨著傳播而進(jìn)行變化。此外，光與物質(zhì)的相互作用非常復(fù)雜，比如那些大家廣為人知的現(xiàn)象——光在玻璃上的折射，以及導(dǎo)致頻率轉(zhuǎn)換(即顏色變化)的非線(xiàn)性光學(xué)。因此，精確的模擬通常非常耗時(shí)。

合作伙伴Sebastian von Mammen教授解釋說(shuō)：“為了在虛擬現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)這種光學(xué)系統(tǒng)的交互式學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室，我們必須加速必要的計(jì)算，以便它們?cè)谏虡I(yè)化VR平臺(tái)上實(shí)時(shí)運(yùn)行。虛擬實(shí)驗(yàn)室的采購(gòu)成本只有幾百歐元，而真正的短脈沖激光實(shí)驗(yàn)室需要幾十萬(wàn)歐元的投資。

項(xiàng)目獲財(cái)政支持  

可行的教學(xué)和培訓(xùn)數(shù)字化在當(dāng)代是一個(gè)重要的問(wèn)題，也很必要！新冠肺炎對(duì)中小學(xué)和大學(xué)的限制尤其清楚地表明了這一點(diǎn)�；瘜W(xué)工業(yè)基金會(huì)(FCI)宣布為該項(xiàng)目提供財(cái)政支持。未來(lái)，femtoPro不僅將用于維爾茨堡的教學(xué)，還將提供給其他大學(xué)或?qū)W校。

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