对基本粒子的探索和对超快和超小尺度下物质结构认知的需求推动了现代大型电子直线加速器应用的发展。为满足这些应用对电子源的需求,往往采用光阴极微波电子枪和光阴极注入器提供低发射度、高峰值流强的电子束。电子束从光阴极表面产生后,其发射度会在后续的加速、聚焦及聚束过程中增长。如何进一步降低初始发射度并抑制发射度增长是近年来研究的焦点。本论文对光阴极注入器中超低束流发射度的获得进行了探索性研究,一方面研究了阴极表面状况对热发射度的影响,另一方面探索了光阴极注入器中抑制发射度增长的新方法。真实阴极表面是随机缓变表面,其表面起伏不仅会造成光电子发射方向的离散,也会产生横向电场分量,进而导致热发射度增长。为预测真实阴极表面粗糙度对热发射度造成的影响,我们引入点扩散函数计算方向离散效应,利用任意缓变表面电场分布近似公式计算横向电场效应,给出了真实阴极表面粗糙度热发射度的解析公式,并进行了模拟验证。解析和模拟结果表明,对于经过精细机械打磨的阴极,其粗糙度热发射度增长可忽略不计。金属阴极表面存在纳米尺度周期结构时,能够与入射激光耦合产生表面等离激元,显著加强光阴极对光子的吸收。我们对表面纳米结构阴极的发射特性进行了实验研究。首先对银纳米表面阴极的表面结构进行了模拟优化,随后进行了离线反射率谱测量及高功率测试。实验结果表明银纳米表面阴极能够工作在红外波段并提供400倍以上的电子产额增益,但其归一化热发射度是平面铜阴极的两倍,可能更适合对电荷量要求较高但对发射度要求不高的应用。为抑制非线性力造成的发射度增长,一般采用扁平束和笔形束发射。我们解析了两种发射情形下阴极表面的极限热发射度,并说明笔形束的极限热发射度更优。为抑制笔形束初始长度太长造成的RF发射度增长以及注入器出口处流强过低的缺点,引入了空间分离双频电子枪的概念,并应用于光阴极注入器中,采用多目标遗传算法对注入器参数进行优化。优化结果表明,引入高频腔可在200pC电荷量下在保持注入器出口峰值流强30 A时将发射度降低25%,若能将归一化热发射度降低至0.5μm/mm,则可获得200pC电荷量下注入器出口峰值流强30A,切片发射度0.1 mm · mrad的注入器工作点。