砷化镓（GaAs）类光阴极常用于为电子枪提供自旋极化电子束流。为满足现代电子加速器的苛刻需求，这些光阴极必须具备以下特征：量子效率高、电子自旋极化度高和工作寿命长。高性能光阴极有利于新型电子加速器的成功建造，以实现新物理现象的研究。本论文将呈现几项研究，旨在量化现行砷化镓类光阴极的局限性并成功地提出方法来改善它们在电子加速器应用中的性能。 光阴极寿命是电子枪的重要品质之一，长寿命是电子枪提供稳定束流的基础。限制现代直流高压电子枪中光阴极寿命的主要机制是离子反轰效应。至今为止，离子反轰效应对光阴极的影响并未得到系统的研究，其中许多物理机制并不清楚。本论文详细研究并评估了光阴极量子效率衰减（或寿命）对离子反轰效应的敏感性。研究结果清晰地给出了光阴极量子效率受离子反轰效应的影响情况，并得出（110）切面砷化镓是作为电子枪光阴极的最佳选择的结论。本研究对电子枪的研究者们理解离子反轰效应提供了力的依据，有利于电子枪进一步提高工作寿命。 基于砷化镓的应变超晶格光阴极是目前唯一能够为电子加速器提供高极化度（~90%）电子束流的阴极材料，但是它的量子效率低（~1%）。虽然这种光阴极已经被成功用于大型加速器的运行，并产生了百微安量级的电子束，比如美国托马斯-杰斐逊国家实验室（Thomas Jefferson National Accelerator Facility，简称JLab）的CEBAF上，但是，它们已经不能满足新型电子加速器对强流电子束（需求1～50mA）的紧迫需求了。大幅度提高这种光阴极的量子效率已迫在眉睫。本论文研究了一种具有分布式布拉格反射器（DBR）结构的应变GaAs/GaAsP超晶格光阴极，成功地产生了现有高极化度光阴极中最高水平的量子效率，并在原有水平上提高了数倍。本研究结果使得电子枪产生毫安量级强流极化电子束的进程更进一步，从而为新型电子加速器的运行提供保障。 由于电子在材料内部和表面激活层内会发生去极化过程（自旋弛豫），砷化镓光阴极产生的极化度通常情况下小于其理论最大值50%。本论文全面阐述了光阴极材料的去极化机制，并进行了系统的实验以评估温度、掺杂浓度、激活层和晶体切面（向）等因素对极化度的影响。实验发现，低掺杂浓度的光阴极样品在冷却到77 K时，可产生与理论预计最大值相当的极化度（~50%）。本研究结果有助于更好地理解光阴极中电子损失自旋极化度的机理，有利于光阴极产生更高极化度的电子束。 本论文最后提出并研究了一种新颖的应变超晶格结构：GaAsSb/AlGaAs光阴极，并获得了初步结果。虽然实验结果并不理想，但本研究成果为后续发展高极化度光阴极提供了有力的研究基础。