Active matter extracts surrounding energy and converts it into mechanical movements. Ranging from industrial active matter such as liquid crystal (LC) to living active matter including cytoskeleton dynamics, active matter and its dynamics are one of the hot topics in soft matter physics and biological sciences. Particularly, an LC droplet serves a unique platform to study molecular interactions in a confined volume. Interestingly, the materials including LC, cytoskeleton, and cell membranes exhibit birefringence, due to the regular arrangement of anisotropic molecules, proteins, or lipids. Optical diffraction tomography (ODT) techniques have been successfully demonstrated in reconstructing thethree-dimensional (3D) refractive index distribution for various research areas, including material science, biophysics, and biophotonics. However, applications of the techniques have been restricted to optically isotropic objects, due to the scalar wave assumption in the ODT principles. This assumption severely limits broader applications of the ODT techniques to optically anisotropic objects, particularly for liquid crystalline materials and filament structures in biological cells. In this thesis, we propose and experimentally demonstrate a method for the reconstruction of the 3D dielectric tensor distribution of an optically anisotropic object. Optical anisotropy causes anisotropic electric excitations depending on the direction of the external electric field, which is characterized by a dielectric tensor. Hence, an anisotropic object can be described by the 3D dielectric tensor distribution. Similar to the scalar ODT principles, the vectorial wave equation with a 3D dielectric tensor distribution is linearized under the weak scattering assumption. In consequence of solving the equation, the 3D dielectric tensor distribution can be reconstructed by mapping 3D vector fields diffracted from an anisotropic sample for various illumination angles. For the experimental demonstration, we also develop a method to retrieve the 3D vector fields from two recorded holograms with orthogonal incident polarizations by exploiting the angular spectral decomposition. The feasibility of the present theory is validated by reconstructing the 3D dielectric tensor distributions of an LC droplets and phase transition dynamics of LC droplets.
활성 물질은 주변 에너지를 추출하여 기계적 운동으로 변환한다. 액정과 같은 산업 활성 물질부터, 세포 대사 및 세포 골격 역학을 포함한 살아있는 활성 물질에 이르기까지 활성 물질은 연질 물리학 및 생명 과학에서 가장 인기있는 주제 중 하나이다. 특히 액정 방울은 한정된 부피에서 분자 상호 작용을 연구하는데 고유한 플랫폼을 제공한다. 흥미롭게도, 액정, 세포 골격 또는 세포막을 포함하는 물질은 이방성 분자, 단백질 또는 지질의 규칙적인 배열로 인해 복굴절을 나타낸다. 광학 회절 단층 촬영 (ODT) 기술은 재료 과학, 생물 물리학을 포함한 다양한 연구 분야에 3차원 굴절률 분포를 재구성하는 데 성공적으로 입증되었다. 그러나, ODT 원리에서의 스칼라 파동 가정으로 인해, 이 기술의 응용은 광학적 등방성 물체로 제한되어왔다. 이러한 가정은 광학적 이방성 물체, 특히 생물학적 세포의 막 또는 필라멘트 구조에 대한 ODT 기술의 광범위한 적용을 심각하게 제한한다. 이 논문에서 우리는 광학적 이방성 물체의 3차원 유전율 텐서 분포의 재구성에 대한 방법을 제안하고 실험적으로 보여준다. 광학적 이방성은 외부 전기장의 방향에 따라 이방성 전기 여기를 유발하며, 이는 유전율 텐서에 의해 표현된다. 따라서 광학적 이방성 물체는 3차원 유전율 텐서 분포에 의해 설명할 수 있다. 스칼라 ODT 원리와 유사하게, 3차원 유전율 텐서 분포를 갖는 벡터 파동 방정식을 약한 산란 가정 하에서 선형화하였다. 이 방정식의 해석적 해를 구하면, 다양한 조명 각도에 대해 이방성 샘플로부터 회절 된 3D 벡터 필드를 매핑함으로써 3차원 유전율 텐서 분포를 재구성 할 수 있다. 실험 시연을 위해, 우리는 각도 스펙트럼 분해를 이용하여 직교 입사 편광으로 두 개의 기록된 홀로그램에서 3D 벡터 필드를 검색하는 방법 또한 개발하였다. 본 이론의 타당성은 액정 방울의 3차원 유전율 텐서 분포, 액정 방울의 상 전이 역학을 재구성함으로써 검증되었다.
