自由電子激光是利用自由電子為工作媒質(zhì)產(chǎn)生的強相干輻射，它的產(chǎn)生機理不同于原子內(nèi)束縛電子的受激輻射。自由電子激光的概念是John M. J. Madey于1971年在他的博士論文中首次提出的，并在1976年和他的同事們在斯坦福大學(xué)實現(xiàn)了遠紅外自由電子激光，觀察到了10.6μm波長的光放大。自那以后，許多國家都開展了關(guān)于自由電子激光的理論與實驗研究。

自由電子激光的基本原理是通過自由電子和光輻射的相互作用，電子將能量轉(zhuǎn)送給輻射而使輻射強度增大。

自由電子激光具有一系列已有激光光源無法替代的優(yōu)點。例如，頻率連續(xù)可調(diào)、頻譜范圍廣、峰值功率和平均功率高且可調(diào)、相干性好、偏振強，具有ps量級脈沖的時間結(jié)構(gòu)，且時間結(jié)構(gòu)可控，等等。中國科學(xué)院高能所已于1993年制成我國第一臺自由電子激光裝置。

自由電子激光的物理原理是利用通過周期性擺動磁場的高速電子束和光輻射場之間的相互作用，使電子的動能傳遞給光輻射而使其輻射強度增大。利用這一基本思想而設(shè)計的激光器稱為自由電子激光器（簡稱FEL）。如下圖所示，一組扭擺磁鐵可以沿z軸方向產(chǎn)生周期性變化的磁場．磁場的方向沿y軸。由加速器提供的高速電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁鐵D導(dǎo)入擺動磁場。由于磁場的作用．電子的軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)而沿著正弦曲線運動，其運動周期與擺動磁場的相同。這些電子在xOz面內(nèi)搖擺前進，沿x方向有一加速度，因而將在前進的方向上輻射出電磁波。輻射的方向在以電子運動方向為中心的一個角度范圍內(nèi)。

自由電子激光器原理圖

由此可見，自由電子激光器的工作原理完全基于經(jīng)典物理學(xué)，不同于傳統(tǒng)激光器（如紅寶石激光器）依賴于原子的受激吸收與受激輻射這一量子現(xiàn)象。在經(jīng)典物理學(xué)中，能量是連續(xù)的，而不是離散（量子化）的。從而，自由電子激光器可以實現(xiàn)輻射頻率的大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)。