Features

Werde ein Femtosekundenlaser-Profi mit femtoPro

Laser sind im täglichen Leben, in der wissenschaftlichen Forschung und in vielen Anwendungen allgegenwärtig. Während die theoretische Ausbildung in Optik und Photonik an Schulen, Universitäten und in der Industrie gut etabliert ist, ist es eine Herausforderung, den praktischen und richtigen Umgang mit Lasern und optischen Experimenten effizient zu vermitteln. Aufgrund der hohen Kosten stehen typischerweise nur begrenzte Hardwareressourcen und Lehrpersonal zur Verfügung. Darüber hinaus ist Laserstrahlung gefährlich und erfordert die Umsetzung strenger Augenschutzprotokolle.

Wir haben das Virtual-Reality-(VR-)Femtosekunden-Laserlabor femtoPro entwickelt. Darin tragen Nutzer eine VR-Brille und interagieren mit optischen Elementen auf einem VR-Lasertisch (siehe Hauptseite für kurzes Demonstrationsvideo). So ist es möglich, auf intuitive Weise das Positionieren und Ausrichten von Spiegeln, Linsen, Irisblenden und anderen mechanischen oder optoelektronischen Geräten zu erlernen. Die Wirkung aller optischen Elemente auf den Laserstrahl wird in Echtzeit berechnet und angezeigt, sodass Verfahren wie in einem echten Labor trainiert werden können. Materialdispersion und nichtlineare optische Phänomene werden unter Berücksichtigung der Femtosekunden-Pulseigenschaften berücksichtigt.

Erhältlich für Oculus/Meta- und Pico-VR-Endgeräte.

Liste der Features

femtoPro Feature	Vollversion
Echtzeitsimulation	✔
Gaußsche Strahlprofile	✔
Immersive Virtual-Reality-(VR-)Laborumgebung	✔
Visualisierung von ganzen Strahlen oder Streuquerschnitten	✔
Lineare Optiken (Spiegel, Linsen, Irisblenden, Strahlteiler, etc.)	✔
Freie Platzierung optischer Elemente (Position, Höhe, Winkel)	✔
Feinjustierschrauben mit realistischen Interaktionen	✔
CW- oder Femtosekunden-Laser inklusive Materialdispersion	✔
Detektoren (Spektrometer, Leistungsmesser)	✔
Berücksichtigung räumlicher und zeitlicher Überlappung	✔
Berücksichtigung interferometrischer Effekte	✔
Schritt-für-Schritt-Tutorials zur Grundfunktionalität von femtoPro	✔
Umfangreiche Tutorials für automatisierte Lehre und Ausbildung	✔⁽¹⁾
Computergesteuerte Verzögerungsstrecken	✔
Summenfrequenz und Frequenzverdopplung in nichtlinearen Kristallen	✔
Molekulare Absorption mittels Response-Function-Formalismus	✔
Nichtlineare Antwort für transiente Absorption, 2D Spektroskopie, etc.	⁽²⁾
Multiplayer-Modus für Fernunterricht und Kollaboration in einem Labor	⁽²⁾

(1) Siehe exemplarische Liste im nächsten Abschnitt "Tutorials".
(2) In Entwicklung.

Tutorials

Sicherer Umgang mit Laserstrahlen
Strahlausrichtung auf Blenden
Linsen und Strahlteiler
Kepler-, Galilei- und Spiegel-Teleskope
Optische Verzögerungsstrecken mit einem oder zwei Spiegeln
Michelson- und Mach–Zehnder-Interferometer
Spektrale Interferenz
Frequenzverdopplung

Ausgewählte Anwendungsbeispiele

Eigenständiges oder ergänzendes Bachelor- oder Master-Praktikum zu Optik und Laserspektroskopie für Studierende der Natur- und Ingenieurswissenschaften
Vorlesungsbegleitende praktische Übungen
Konsistente Einweisung in die Funktion und Justage optischer Aufbauten für neue Mitglieder wissenschaftlicher Arbeitsgruppen
Schülerpraktika zum spielerischen Erlernen optischer Phänomene wie der Funktion einer Linse oder eines Teleskops
Schulung von technischem Personal der Laser- und Photonikbranche sowie Nutzern in der Handhabung und der Justage komplexer optischer Systeme
Praktische Ergänzung von Lasersicherheitsunterweisungen

Aktuelle Einschränkungen (kann sich mit der Weiterentwicklung ändern)

Kein Astigmatismus (Strahlen werden als radialsymmetrisch behandelt)
Keine Polarisation (elektrische Felder werden als Skalare behandelt)
Keine Beugung (Abschneiden von Strahlen wird auf effektive geometrische Weise behandelt, wobei ein Gaußsches Strahlprofil beibehalten wird)

Versionsverlauf

Behoben: Es wurde ein Problem mit dem Installationsprogramm behoben, das die Installation von femtoPro unter Windows 11 verhinderte.
Behoben: Es wurde ein Installationsproblem behoben, das auftrat, wenn mehrere Accounts auf Meta Quest VR-Headsets verwendet wurden.

Neu: Gechirpte Spiegel und Proben mit linearer Antwort erster Ordnung.
Neu: Ein Tutorial über gechirpte Spiegel wurde hinzugefügt.
Neu: Ein Tutorial über lineare Absorption wurde hinzugefügt.
Neu: Ein Level mit „Laser-Minigolf“ wurde hinzugefügt.
Neu: Es werden jetzt auch Warnungen angezeigt, wenn der Spieler sich unter die Strahlhöhe beugt oder der Strahl einen maximalen Strahlradius überschreitet.
Neu: Die Höhe des Lasertisches kann jetzt eingestellt werden. Die Höhe kann im Einstellungsmenü konfiguriert werden und ist sitzungsübergreifend konstant.
Verbessert: Allgemeine Simulationsperformance (Es wurde ein neuer Algorithmus zur Lösung von Laserpfaden implementiert).
Verbessert: Irisblenden haben jetzt einen endlichen Mindestdurchmesser so wie reale Irisblenden.
Verbessert: Ein weiterer Strahlblocker wurde zu Tutorial 14 hinzugefügt.
Verbessert: In Tutorial 6 wurde ein Lineal hinzugefügt und der Schwierigkeitsgrad angepasst.
Verbessert: Der Schwierigkeitsgrad von Tutorial 19 wurde angepasst.
Verbessert: Warn-UI-System (blinkende Whiteboard-Meldungen) und Handhabung von Warnungen.
Verbessert: Lesbarkeit/Auflösung der Whiteboard-Bilder.
Verbessert: Lesbarkeit aller GOE-Beschriftungen.
Verbessert: Lesbarkeit der UI der Verzögerungssstrecke.
Verbessert: Lesbarkeit der Laptop-Benutzeroberfläche (Dropdown-Pfeil, erhöhte Schriftgröße).
Verbessert: Der Inhalt der Laptop-Benutzeroberfläche wird jetzt über alle Laptop-Instanzen hinweg synchronisiert.
Verbessert: Die Daten der Laptop-Benutzeroberfläche werden nicht mehr zurückgesetzt, wenn zwischen den Bereichen der Benutzeroberfläche gewechselt wird.
Verbessert: Die Schaltfläche „Beenden“ zum Beenden des Programms wurde in das Hauptfenster des Laptops verschoben. Das Beenden des Programms muss jetzt bestätigt werden.
Verbessert: Handhabung der Numpad-Eingabe.
Verbessert: Aussehen (Farbe) von Lasertisch und Tischzeichnungen.
Verbessert: Die Löcher der Platte der Verzögerungsstrecke wurden korrekt skaliert.
Verbessert: Schrittweiten können jetzt in Femtosekunden mit einer Stelle nach dem Komma im UI der Verzögerungsstrecke eingegeben werden.
Verbessert: Es wurden zwei gechirpte Spiegel zum "Create Your Own Setup"-Level hinzugefügt und die Brennweiten der Fokussierspiegel angepasst.
Verbessert: Installer UI.
Behoben: Installer-Fehler, der bei der Installation von femtoPro auf der Pico 4 auftrat.
Behoben: Berechnung der linearen Antwortfunktion eines resonanten Materials.
Behoben: Es wurde ein Fehler behoben, der das Abschließen des Tutorials 12 verhinderte.
Behoben: Ein Fehler wurde behoben, der dazu führte, dass die Tutorials 17 und 20 abgeschlossen werden konnten, ohne dass es zu einer Strahlüberlappung kam.
Behoben: Das zweite Zeitverzögerungsintervall zum Einstellen von 10 Interferenzstreifen wird in Tutorial 22 nun korrekt erkannt.
Behoben: Die im Feld „Daten“ angezeigten Messergebnisse werden jetzt beim Wechsel des Tutorials gelöscht.
Behoben: Die Anzahl der Scanschritte der Verzögerungsstrecke wurde auf 5000 begrenzt, um Performance-Probleme zu vermeiden.
Behoben: Ein Problem wurde behoben, das zu einem Absturz der Simulation führte, wenn der Strahl auf den Boden gerichtet war.
Behoben: Es wurde ein Problem behoben, bei dem der maximale Leistungswert für die Leistungsleiste als Null angezeigt wurde, obwohl die tatsächliche Leistung größer als Null war.
Behoben: Ein Problem wurde behoben, bei dem der maximale/manuelle Spitzenwert in der Powermeter-Benutzeroberfläche nie zurückgesetzt wurde.
Behoben: Ein Problem wurde behoben, bei dem ein Strahl, der den Lasertisch verließ, keinen Alarm auslöste, nachdem das Level geändert worden war.
Behoben: Ein Fehler wurde behoben, der zu nicht interagierbare oder nicht gerenderten UIs vor anderen UIs führte.
Behoben: Laser-Querschnitte werden nicht mehr gerendert, nachdem der Laser-Shutter geschlossen wurde.
Behoben: Probleme bei der Behandlung von Numpad-Eingaben (führende Nullen wurden nicht gelöscht).
Behoben: Visuelle Artefakte (Flackern), wenn der Strahlblocker aus großer Entfernung beobachtet wird.

Neu: Tutorial zu nichtlinearer Autokorrelation.
Verbessert: Allgemeine Performance auf VR-Geräten, insbesondere in Szenarien, in denen mehrere Strahlsegmente vorhanden sind. Die Performance ist jetzt auch in Szenarien besser, in denen ein nichtlinearer Kristall beteiligt ist, sowie während automatischen Scans.
Verbessert: Auslesen der magischen Laserkarte. Wenn mehr als ein Strahl auftrifft, zeigt die Karte die Parameter der unterschiedlichen Strahlen nacheinander an.
Verbessert: Verhalten von Farbfiltern. Filter blockieren jetzt vollständig Strahlsegmente, die nicht in das Transmissionsfenster des Filters passen.
Behoben: Es wurde ein Problem behoben, das dazu führte, dass das Blockieren der Rückreflexion einer Linse nicht als abgeschlossene Aufgabe registriert wurde.
Behoben: Es wurde ein Fehler behoben, der dazu führte, dass die Pulsenergie von Strahlen, die durch SHG erzeugt wurden, auf der magischen Laserkarte und dem Spektrometer als Null angezeigt wurden.

Neu: Die zeitliche Beschränkung der kostenlosen Nutzungsdauer wurde entfernt.
Neu: Ein neues Sandbox-Level "Interferometric Autocorrelation" wurde hinzugefügt.
Neu: Es wurden Optionen zur Anpassung der Lasereigenschaften in der Benutzeroberfläche des Laptops hinzugefügt, z. B. Pulsdauer, zentrale Wellenlänge, Energie und Strahltaille.
Neu: Es wurde eine Funktion hinzugefügt, die es dem Benutzer ermöglicht, automatisierte Scans der Verzögerungsstrecke durchzuführen.
Verbessert: Vollständige Überarbeitung der Codebasis und dadurch verbesserte Programmleistung.
Verbessert: Umgebungsobjekte mit einer großen Anzahl an Vertices wurden entfernt, um die Performance zu erhöhen.
Verbessert: Respawn-Logik für optische Elemente, magische Laserkarte, Lineal, Laptop und Level-Ordner.
Verbessert: Gesamterscheinungsbild der Benutzeroberflächen des Laptops.
Verbessert: Verblassen des Bildschirms, nachdem der Laser ein Auge getroffen hat.
Verbessert: Vollständige Überarbeitung der Benutzeroberfläche der Verzögerungsstrecke.
Verbessert: Pinch-Interaktion mit optischen Elementen. Um Bugs zu vermeiden, ist es jetzt nur noch möglich, eine Interaktion auf einem Element gleichzeitig durchzuführen.
Verbessert: Formatierung von Text auf dem Aufgaben-Whiteboard.
Verbessert: Überarbeitete Aufgabenbeschreibungen.
Verbessert: Anpassung des Schwierigkeitsgrads verschiedener Aufgaben, insbesondere derjenigen, bei denen der Strahl auf die Iris zentriert werden muss.
Verbessert: Das Beschriftungssystem für optische Elemente und Geräte wurde überarbeitet. Beschriftungen werden nur dann nummeriert, wenn die entsprechenden optischen Elemente oder Geräte mehr als einmal in einem Tutorial vorkommen.
Verbessert: Die Schaltflächen "SHG" und "Fundamental" der Benutzeroberfläche des Spektrometers werden jetzt entsprechend ausgegraut, wenn eine der beiden Schaltflächen gedrückt wird.
Behoben: Es wurde ein Fehler behoben, der dazu führte, dass optische Elemente beim Ablegen auf dem Tisch wegsprangen.
Behoben: Falsche Verweise auf optische Elemente in verschiedenen Tutorials wurden korrigiert.
Behoben: Es wurde ein Fehler behoben, der dazu führte, dass zu Beginn eines Levels der Schrauben-Soundeffect abgespielt wurde.
Behoben: Ein Fehler wurde behoben, der es dem Spieler ermöglichte, zwischen den Einheiten zu wechseln, während der virtuelle Ziffernblock geöffnet war.
Behoben: Ein Fehler wurde behoben, welcher es dem Spieler ermöglichte, mit Objekten zu interagieren, wenn er sich den Objekten mit gedrückter Pinch- oder Grab-Taste näherte.
Behoben: Ein Fehler wurde behoben, der es dem Spieler ermöglichte, bestimmte Aufgaben zu erledigen, indem er einfach eine Irisblende öffnete.
Weitere Änderungen: Die Sandbox-Level "Pre-Aligned Michelson-Interferometer" und "Pre-Aligned Mach-Zehnder Interferometer" wurden entfernt. Diese Levels werden in einer der nächsten Versionen wieder hinzugefügt.

Neu: Verlängertes Ende der kostenlosen Nutzungsdauer bis zum 31. Oktober 2023

Neu: Verlängertes Ende der kostenlosen Nutzungsdauer bis zum 31. Juli 2023

Neu: Verlängertes Ende der kostenlosen Nutzungsdauer bis zum 30. April 2023

Neu: Verlängertes Ende der kostenlosen Nutzungsdauer bis zum 31. Januar 2023

Neu: Ausführbare Installationsdatei
Neu: Tutorials 7 - 23
Neu: Zwei neue Sandbox-Level
Neu: Computergesteuerte Verzögerungsstrecken, nichtlineare Kristalle, Wellenlängen-Filter
Neu: Eindringlichere Warnungen bei Lasersicherheitsverstößen
Neu: Anzeige der Propagationszeit auf der Justierkarte
Neu: Hervorhebung von nicht-justierbaren optischen Elementen
Verbessert: Layout und Bedienbarkeit des Levelordners
Verbessert: Texturen, welche die Steuerung anzeigen
Verbessert: Design des Strahlteilers
Verbessert: Erscheinungsbild von Aufgaben auf dem Whiteboard
Verbessert: Wanduhr
Verbessert: Benutzeroberflächen des Spektrometers und des Leistungsmessers
Verbessert: Haptisches Feedback
Verbessert: Lesbarkeit der Beschriftungen auf optischen Elementen
Verbessert: Abstand zwischen Schraublöchern auf dem Lasertisch beträgt nun 2,5 cm
Verbessert: Positionierung der Lasertischschutzvorrichtungen
Verbessert: Formulierung von Aufgaben
Verbessert: Schwierigkeit in Tutorial 6
Verbessert: Minimaler Irisöffnungsdurchmesser beträgt nun 0,75 mm (wie bei realen Irisblenden)
Behoben: Verschwinden von Whiteboard-Inhalt und des Ziffernblatts, wenn Laserstrahl auf Whiteboard trifft
Behoben: Fehler beim Soundfeedback
Behoben: Es wurde ein Fehler behoben, der dazu führte, dass Querschnitte auf dem Lineal nicht sichtbar waren
Behoben: Es wurde ein Fehler behoben, der dazu führte, dass sich die Laserindexnummer bei jedem Neustart eines Levels um zwei erhöhte

Verbessert: Level-Navigation mit dem Ordner
Verbessert: Bezeichnung optischer Elemente
Behoben: Es wurde ein Fehler behoben, der dazu führte, dass stets eine Energie von Null in der Benutzeroberfläche des Spektrometers angezeigt wurde

Neu: Missionssystem mit automatisierter Erfolgskontrolle
Neu: Grundlegende Missionen zur Erlernung der Bedienung von femtoPro
Neu: "Sandbox"-Modus mit vordefinierten optischen Elementen

Neu: Femtosekunden-Pulseigenschaften
Neu: Strahlteiler
Neu: Summenfrequenzerzeugung
Neu: Interferenzeffekte
Neu: Computergesteuerte Verzögerungsstrecke
Neu: Missionen zur linearen Optik
Verbessert: Komplett neue Codebasis
Verbessert: Beschriftung optischer Elemente
Verbessert: Feinjustage-Prozeduren

Neu: Erster funktionierender Demonstrator mit Spiegeln und Linsen
Neu: Eine Beispielmission mit automatisierter Erfolgskontrolle

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