In einer Kooperation des Instituts für Physikalische und Theoretische Chemie und des Instituts für Informatik der Universität Würzburg haben Professor Tobias Brixner, Dr. Stefan Müller und Professor Sebastian von Mammen mit ihren Teams seit 2020 ein simuliertes Laserlabor in Virtueller Realität (VR) entwickelt. Damit lässt sich der sichere Umgang mit Laserstrahlung in der Praxis erlernen. Universitäten, Schulen und Industrieunternehmen setzen die Würzburger Software mittlerweile an zahlreichen Standorten weltweit ein.
Für ihre Entwicklung haben die drei Partner nun den Lehrpreis 2026 der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (Arbeitsgruppe Physikalische Praktika) erhalten. Sie nahmen die Auszeichnung auf der Jahrestagung der Gesellschaft entgegen, die vom 13. bis 16. September 2026 an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg stattfand.
Problem: Den sicheren Umgang mit Lasern lernen
Laser sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie stecken in Scannern, Druckern und Unterhaltungsmedien. Sie kommen in der industriellen Fertigung, der medizinischen Diagnostik oder bei Augenoperationen zum Einsatz.
In der wissenschaftlichen Forschung werden Laser breitgefächert verwendet, von der Physik über die Chemie und Biologie bis zu den Materialwissenschaften. Entsprechend sind die theoretischen optischen Grundlagen der Lasertechnik zentrale Bestandteile der Lehre an Schulen und Universitäten.
Allerdings bleibt es eine Herausforderung, den augensicheren Umgang mit Laserstrahlung in der Praxis zu erlernen. Bei unsachgemäßer Nutzung besteht ein hohes Gefährdungspotenzial: Selbst wenn ein Laserstrahl nur diffus reflektiert wird, kann er bereits ernsthafte Verletzungen hervorrufen, insbesondere im Auge.
Großgeräte wie Femtosekundenlaser, die extrem kurze Lichtblitze erzeugen, sind oft durch die Forschung voll ausgelastet, sodass sie für die Lehre nicht zur Verfügung stehen. Dazu kommt, dass der Aufbau wissenschaftlicher Experimente hochkomplex ist und viel Erfahrung bei der Justierung erfordert.
Es entsteht ein „zirkuläres Problem“, wie Physiker Tobias Brixner erklärt: „Ohne praktische Erfahrung kann man nicht sicher mit dem Laser arbeiten, und ohne mit dem Laser zu arbeiten, erhält man keine praktische Erfahrung.“
Lösung: Simulationen in Virtueller Realität
Die drei Preisträger haben eine Lösung gefunden, die sich in anderen Bereichen bereits bewährt hat. Flugsimulatoren etwa ermöglichen gefahrlose, aber realitätsgetreue Praxis, die für das sichere Steuern eines Flugzeugs essenziell ist. Analog entwickelten die Würzburger in ihrem Projekt „femtoPro“ ein physikalisches Modell für die Ausbreitung von Laserstrahlen und programmierten es in VR.
„Eine Herausforderung war es, die durch Studien ermittelte gewünschte Bildwiederholrate von 90 Hz zu garantieren, bei der ein wahrnehmbares Ruckeln vermieden wird“, erläutert der Informatiker Sebastian von Mammen. Daher müssen Simulation und Darstellung effizient genug sein, um sämtliche optischen Strahlengänge 90 Mal pro Sekunde zu visualisieren und dabei schnell auf Nutzereingaben zu reagieren. Da femtoPro komplexe Anordnungen simulieren sollte, geht die Würzburger Entwicklung über rein geometrische Lichtstrahlen hinaus: Sie simuliert Aspekte der Wellenoptik samt Interferenzen, räumlichen Strahlprofilen und kurzen Laserpulsen.
Entwickler stellen Software kostenfrei bereit
Das Programm läuft auf VR-Brillen aus dem Unterhaltungsbereich, die ab 500 Euro erhältlich sind und keinen zusätzlichen Computer benötigen. Die Software selbst stellen die Entwickler auf ihrer Website kostenlos zur Verfügung.
Der Physikochemiker Stefan Müller hat die didaktischen Inhalte implementiert: „Mehr als 20 vordefinierte Übungseinheiten führen die Nutzerinnen und Nutzer Schritt für Schritt von einfachen Prinzipien bis hin zu komplexen spektroskopischen Experimenten.“
femtoPro wurde mehrfach ausgezeichnet
Dies ist bereits der dritte Lehrpreis für das Team. Der Fonds der Chemischen Industrie zeichnete das Projekt 2021 im Rahmen seines Förderprogramms zur Etablierung neuer digitaler Lehrkonzepte im Chemiestudium aus. Vom Preisgeld kaufte das Team 20 VR-Brillen, die es nun semesterweise an Würzburger Studierende verleiht.
Zwei Jahre später folgte die AVRiL-2023-Silber-Auszeichnung der Gesellschaft für Informatik im Rahmen ihres Wettbewerbs für gelungene VR/AR-Lernszenarien. Mit dem jetzigen Lehrpreis haben nun alle drei beteiligten Fachgebiete (Chemie, Informatik, Physik) die Pionierarbeiten der Würzburger gewürdigt.
Zwei Dissertationen kurz vor dem Abschluss
Aus dem Projekt entstehen aktuell zwei Doktorarbeiten (Andreas Müller und Samuel Truman), die fast abgeschlossen sind. Alle Publikationen mit weiteren Informationen sind frei verfügbar. Für die Zukunft planen die Entwickler zahlreiche weitere Features, etwa einen Mehrspieler-Modus, der kooperatives Arbeiten und Lernen im selben VR-Labor ermöglicht.
Kontakt
Projekt femtoPro, https://www.femtopro.com, E-Mail: femtopro@uni-wuerzburg.de, T +49 931 31-80036