1.多层拓扑绝缘体结构的反射克尔极化偏转的计算方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、建立多层拓扑绝缘体结构的模型;
S2、确定拓扑绝缘体的电磁特性;
S3、确定电磁波在分界面上的边界条件;
S4、计算多层拓扑绝缘体结构的传输矩阵;
S5、计算多层拓扑绝缘体结构的反射系数;
S6、计算所述模型下反射电磁波的克尔极化偏转;
所述多层拓扑绝缘体结构的模型为拓扑绝缘体和常规绝缘体周期排列组合而成的多层结构;其中,入射介质为常规绝缘体,其介电常数和磁导率分别为ε1和μ1;三维拓扑绝缘体的介电常数和磁导率分别为ε2和μ2;三维拓扑绝缘体之间以及出射介质均为真空,其介电常数和磁导率为ε=μ=1;
所述步骤S2具体包括:
根据拓扑场论,拓扑绝缘体中的传统电磁响应项为:
3 2 2
S0=∫dxdt(ε2E‑B/μ2) (1);
其中,x表示坐标轴方向,t表示时间,E和B分别表示电场强度和磁感应强度;
与拓扑磁电耦合效应相关的电磁响应项为:
2 3
SΘ=(αΘ/4π)∫dxdtE·B (2);
其中,α为精细结构常数,Θ为拓扑磁电极化率;
在三维拓扑绝缘体的本构关系中添加拓扑贡献项,表达式为:其中,D和H分别表示电位移矢量和磁场强度;
所述步骤S3具体包括:
在拓扑绝缘体多层结构的分界面处,电场和磁场的各分量要满足在入射面切向方向上连续,在拓扑绝缘体多层结构的分界面处,电磁场的边界条件为:其中,z表示分界面的法向量,E1和H1分别表示常规绝缘体中的电场和磁场,E2和H2分别表示三维拓扑绝缘体中的电场和磁场;
所述步骤S4具体包括:
根据电磁场的边界条件,得到常规绝缘体和三维拓扑绝缘体在分界面上入射电场、反射电场和透射电场之间的方程组为:其中, θ=cosθ2/cosθ1,θ1和θ2分别表示入射角和透射角,s和p分别表示电场的垂直和平行分量,+和‑分别表示入射和反射的方向;由此得到电磁波在常规绝缘体和三维拓扑绝缘体分界面上的传递矩阵 为:其中,
根据电磁波在介质内部传播的特性,得到第j层介质中电磁波的传播矩阵 为:其中,i表示虚数单位,kjs表示电磁波在垂直方向上的波数,dj表示第j层介质的厚度;
对于具有N层介质的周期性结构,整个多层结构的传输矩阵为传递矩阵与传播矩阵按多层结构的顺序依次相乘,得到总的传输矩阵MN为:其中, 表示出射介质为真空;
所述步骤S5具体包括:
根据传输矩阵,得到反射系数的表达式为:其中,Mij(i,j=1,2,3,4)表示传输矩阵MN中的第i行第j列元素;rss和rpp为直接反射系数,rsp和rps为偏转反射系数,是反射电磁波产生克尔极化偏转的原因,来源于拓扑绝缘体的拓扑磁电耦合效应;当Θ=0,偏转反射系数rsp=rps=0,拓扑绝缘体的反射系数为常规绝缘体的菲涅尔反射系数;
所述步骤S6具体包括:
采用极化偏转率表示反射电磁波中偏转分量所占的比率;当s极化波入射时,极化偏转率的表达式为:将步骤S5计算的反射系数代入到极化偏转率的表达式中,以分析反射电磁波的克尔极化偏转结果以及电场分量之间的转化情况。