红外天文是用电磁波的红外波段研究天体的一门学科,已成为当代天文学的重要分支,在低温、隐蔽天体的观测、天体物理化学性质研究与追溯早期宇宙演化等前沿科学研究中起到了重要推动作用。针对遥远天体的微弱光信号进行红外成像与光谱巡天探测,需要高效率、低暗计数的红外单光子探测器。另外,在量子通信等前沿科学领域,对高性能单光子探测器的需求也日趋旺盛。超导相变边缘（TES）单光子探测器是一种新型的超导单光子探测器,与传统半导体单光子探测器相比,超导TES单光子探测器在近红外和可见光波段具有探测效率高、暗计数率低等特点,特别是超导TES单光子探测器还具有卓越的光子数分辨能力,使其成为近红外和可见光波段单光子探测器的热门选择。目前,国内外对超导TES单光子探测器的研究处于快速发展阶段。面对红外天文观测、量子科学、生物成像等前沿领域的应用需求,仍需进一步探索超导TES单光子探测器的物理模型并提高探测效率等特性。基于上述背景,本文围绕超导TES单光子探测器,开展了如下研究:基于超导薄膜的相位滑移理论,探索并扩展了超导TES的二流体模型计算方法。通过将相位滑移理论中的相位滑移数连续化处理（即将Cl和CR看作变量）,根据二流体模型拟合得到超导TES的关键参数:电阻-温度灵敏系数α与电阻-电流灵敏系数β,从而完成对超导TES直流特性、热容、热导与响应特性的完整计算仿真。基于上面描述的扩展二流体模型,对不同尺寸的超导TES单光子探测器进行了分析比较研究,得到超导TES单光子探测器的电声耦合常数、热容系数、能量转换效率等钛超导TES单光子探测器参数,计算出超导TES单光子探测器响应时间与能量分辨率随超导转变温度与偏置点的变化趋势,并预测了超导TES单光子探测器的性能极限。探究了超导TES单光子探测器探测效率的影响因素。围绕单模光纤正面对准耦合方式,理论计算出光纤对准的误差允许范围,通过二维位移平台配合倒置红外显微镜成像的方式,实现了稳定可靠的高效率器件封装。设计并制备出针对1550 nm波长的光学腔体,探究了光学腔体对超导薄膜特性的影响,优化了常低温光路中的光纤传输损耗,最终实现了 90%以上的系统探测效率。探究了超导TES单光子探测器的噪声与暗计数率特性。分析了超导TES单光子探测器的理论噪声与实测噪声,并计算出理论能量分辨率,与实测结果吻合;分析了杂散光与黑体辐射对超导TES单光子探测器暗计数的影响,结合理论分析与实验对比,采用常温光纤遮蔽与低温光纤绕圈的方法抑制暗计数的产生,实现了低于100 Hz的暗计数率。