随着近年来对具有量子相变特性（Quantum Phase Transition,QPT）的量子材料研究的不断深入,其在红外光电探测领域的应用潜力也正在逐步显现。作为量子材料的典型代表之一,具有超导绝缘相变（Superconductor-Insulator Transition,SIT）特性的二维薄膜材料能够通过调节磁场、掺杂、压强、无序度等非热力学参量实现从超导态到超导绝缘态的相变,而这一相变过程为光电探测器的制备提供了一种新的思路。为此,本文以纳米多孔氮化铌（Niobium Nitride,NbN）薄膜为主要研究对象,对其在780～5000nm波长范围内的光响应特性进行了详细分析,并在此基础上给出了一种能够将二维周期薄膜等效为均匀薄膜的等效模型。进而,得益于等效模型的便利性,较为高效地实现了对纳米多孔NbN薄膜光电探测器光响应的优化设计,获得了具有近、中红外波段高光吸收率的器件结构。具体工作如下:1.分别以纳米多孔金（Au）薄膜和NbN纳米蜿蜒线为例,对基于时域有限差分法（Finite Difference Time Domain,FDTD）的薄膜光响应仿真方法的正确性进行了验证。以此为基础,对具有SIT特性的纳米多孔NbN薄膜在780～5000nm波长范围内的光响应特性进行了细致地仿真与分析。结果显示,尽管通过刻蚀产生了周期为100nm直径为70nm的孔阵列,但在目标波长范围内,上述周期性孔结构对于薄膜的光学性质并没有颠覆性的改变。基于这一判断和不懈的努力,最终给出了一种能够将纳米多孔薄膜简化为均匀薄膜的Bruggeman等效模型,从而可以将纳米多孔NbN薄膜光响应特性的仿真维度由三维降为一维。2.利用所给出的Bruggeman等效模型,并结合具有可变惯性权重系数的粒子群优化算法,对加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光探测器结构进行了高光吸收率优化设计。结果显示,仅仅使用较为普通的光学腔,即可在近红外的1200～1600nm内实现大于93.2%的薄膜宽带高光吸收率,同样,在中红外的3000～5000nm波段实现了 87%的宽带高吸收。若以特定波长目标,则可以达成接近于1的较为理想的吸收率,例如针对1310nm和1550nm光纤波长的双波长设计,就可以获得薄膜光吸收率在这两个波长处均大于98.3%的高光吸收率器件结构。3.考虑到光电探测器的设计需要在诸多甚至是相互矛盾的指标之间取得最佳的平衡,进一步尝试了利用多目标粒子群优化算法对纳米多孔NbN薄膜光电探测器进行综合设计。具体来说,一方面沿用了加载光学腔的背面对光器件结构,另一方面增加了器件厚度这一新的优化目标。与前述单目标算例相比,结果显示:一方面,在近红外1200～1600nm宽带设计时,可在带内光吸收率最低值仅下降约3%的条件下,使得器件总厚度减小约9%;在中红外3000～5000nm宽带设计时,则以5.1%的光吸收率下降实现了器件厚度约5.5%的减小;另一方面,在双波长设计时,两个不同的算例分别仅以约10%和0.8%光吸收率损失,取得了均超过50%的器件厚度减小。因而,从总体上看,不论是宽带设计还是双波长设计,器件厚度与光吸收率均表现出了一定的矛盾性。同时,相比于宽带设计,在特定波长处的高光吸收率设计时,采用多目标设计将可以取得更大的成效。