研究了钛膜的特性及调控机制，通过烘烤后处理工艺分析了临界温度随烘烤时间和烘烤温度的变化关系，发现临界温度随烘烤时间对数降低，但是随烘烤温度指数降低。拓展了二流体模型提取了超导相变边缘单光子探测器的温度灵敏度系数和电流灵敏度系数，并结合脉冲响应得到了器件的热容，进一步理论计算了能量分辨率对器件临界温度的依存性。最终，在器件制备过程中集成光学腔体，在1 550 nm波长的光子吸收效率接近100%。研制的超导相变边缘单光子探测器系统探测效率超过90%，能量分辨率约为0.5 eV，可分辨至少10个1 550 nm光子，满足快速时变天体的观测需求。

高灵敏度超导相变边缘探测器（Transition Edge Sensor，TES）在宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，CMB）辐射B模偏振探测方面具有重要的应用前景。本文设计并制备了220 GHz频段8×8像元的天线耦合钛超导TES探测器，实验表征了刻蚀前钛超导TES探测器的低温热导和噪声特性。实验结果显示，钛超导TES探测器低温电声相互作用主导热导约为485.4 pW/K，同时钛超导TES探测器噪声等效功率优于5×10^-17 W/Hz^0.5。原理上，钛超导TES探测器热导在刻蚀后会进一步减小，理论计算出刻蚀后钛超导TES探测器的热导约为38 pW/K，同时，其热起伏等效噪声功率理论值约为9.2×10^-18 W/Hz^0.5，因此，钛超导TES探测器在刻蚀后的噪声等效功率性能会进一步提升。

研究了基于钛TES的超导单光子探测器的特性，器件尺寸范围为5 μm×5 μm到20 μm×20 μm，集成光学腔体后在1 550 nm波长实测的系统探测效率最高达到72%，最佳能量分辨率为0.26 eV。在此基础上，采用二流体模型提取了基于钛TES的超导单光子探测器的特性参数（包括温度灵敏度、电流灵敏度、热容等），并模拟计算了基于钛TES的超导单光子探测器的响应时间和能量分辨率，与实验结果完全吻合。结果表明优化探测器尺寸和临界温度，可以同时达到高探测效率和高能量分辨率，实现光子数可分辨的高性能单光子探测器。