自由電子雷射器能否出光， 運行質量如何， 主要取決於電子束的質量和電子加速器的運行質量。由於雷射陰極射頻槍以及高亮度電子儲存研究的進展， 很有希望獲得高質量的電子束。自由電子雷射器裝置結構複雜、體積龐大， 價格昂貴、而加速器則是其主要部分， 因此， 自由電子雷射器的研究首先要解決的就是研製小型化、簡單化的加速器。
20世紀90年代初期， 自由電子雷射器的平均功率就已達11W。為進一步提高自由電子雷射的輸出功率和效率並進一步縮短波長， 特別是探索更有效的短波長(紫外及X 射線)自由電子雷射的機理， 人們對各種與等離子體有關的「非常規」自由電子雷射器進行了研究， 並迅速成為自由電子雷射研究領域內的熱點之一。如等離子體波Wiggler自由電子雷射， 以等離子體為背景的靜磁Wiggler自由電子雷射和離子通道雷射。
1994年10月， 日本關西學術文化研究都市津田的自由電子雷射研究所製成了兆瓦量級的自由電子雷射實用裝置。 這歸功於花了二、三十年研究成功的電子直線加速器、微波源和超高真空等基礎技術。開發遠紫外自由電子雷射器需要大電流的貯存環， 長壽命的電子槍以及10（- 9） Pa的超高真空等技術。
以自放大自發輻射為基礎的單程自由電子雷射器提供了另一種向真空紫外和X 射線雷射推進的路線， 這種自由電子雷射器可能提供極強的偏振超脈衝類雷射輻射。除了它們的高峰值亮度和高平均亮度外， 電子能量的可調諧性使得這種自由電子雷射器成為真空紫外和X 射線輻射無可匹敵的光源。
本世紀初， 德國漢堡研究人員報告了德國電子同步加速器的真空紫外雷射器已產生80 ~120nm可調諧， 吉瓦級功率， 30 ~ 100fs脈衝， 其峰值亮度比目前第三代同步輻射源高8 個數量級。2003年開始進行6nm 自由電子雷射器的研究工作。
人們在成功地建造出真空紫外波段的自放大自發輻射自由電子雷射器後， 研究人員把目光放在產生0.1nm最小波長的X 射線自由電子雷射器上。德國漢堡電子對撞中心( DESY)的科學家研製出了相當於1000 萬倍自然光強度的X 射線雷射器。這種自由電子雷射器達到了理論上的最大功率。在紫外線照射時， 其功率比其它光源要強千倍。這臺自由電子雷射器長約30米， 波長範圍在80到180納米之間。據俄羅斯「勞動報」報導，西伯利亞科學家成功地製造出一臺世界上獨一無二的輸出功率和頻率均可調的自由電子雷射器。這臺自由電子雷射器高達百米， 功率可調範圍為10~ 100 千瓦， 波長的變化範圍為2 ~ 30μm， 該雷射器的方向性極強， 光束射到月球表面時， 光斑直徑不超過30釐米。
自由電子雷射在科學、工業和國防上具有廣泛的應用
由於自由電子雷射器具有許多一般雷射器望塵莫及的優點， 所以自由電子雷射器問世後不久，科學家們就開始著手於研究它的應用問題。
自由電子雷射特別適宜於研究光與原子、分子和凝固態物質的相互作用， 這類研究涉及到固體表面物理、半導體物理、超導體、凝聚態物理、化學、光譜學、非線性光學、生物學、醫學、材料、能源、通信、國防和技術科學等多個方面。
原子核工程是自由電子雷射器應用最有前途的領域之一， 自由電子雷射器在此應用上的最大優點是高功率、寬可調光譜範圍， 以及準連續運轉特點。因此， 可應用於物質提純、受控核聚變、鈾、釓、硼、鍶和鈦等元素的同位素分離和等離子體加熱等。
自由電子雷射器的高效率、短脈衝及波長可調的優點， 在工業上也有廣闊的應用前景。例如在半導體工藝中的薄膜沉積、平板印刷術、蝕刻、摻雜質等， 自由電子雷射器特別適合大批量材料處理， 因為它的波長可調諧， 器件又可放大到能輸出高平均功率。用於材料處理時， 要求功率為1 ~5KW， 波長為8~ 20μm的自由電子雷射器。自由電子雷射器還可進行各種化學分析與測量， 可以生產高純矽晶體、滿足計算機生產的需要。集成電路裝配， 包括量子處理和光刻可更多地藉助短波自由電子雷射器。另外， 自由電子雷射器還用在雷射加工、光CVD等方面的材料， 製作X 射線雷射器、雷射加速器等。