自由電子雷射器一種利用自由電子的受激輻射，把相對論電子束的能量轉換成相干輻射的雷射器件。自由電子受激輻射的設想曾於1951年由Motz提出，並在1953年進行過實驗，因受當時條件的限制，未能得到證實。1974年史丹福大學的Madey等人重新提出了恆定橫向周期磁場中的場致受激輻射理論，並首次在毫米波段實現了受激輻射；1976年Madey小組第一次實現了雷射放大，1977年4月史丹福大學Deacon等人才研製成第一臺自由電子雷射振蕩器。
雷射是二十世紀最偉大的發明之一，自由電子雷射是雷射家族的一個新成員。由於它的工作介質是自由電子，因此稱為自由電子雷射，這種雷射的特點是雷射波長和脈衝結構可以根據需要進行設計，並且能夠在大範圍內連續調節，有著重要的應用前景。
自由電子雷射是利用自由電子為工作媒質產生的強相干輻射，它的產生機理不同於原子內束縛電子的受激輻射。自由電子雷射的概念是J.Maday於1971年在他的博士論文中首次提出的，並在1976年和他的同事們在史丹福大學實現了遠紅外自由電子雷射，觀察到了10.6μm波長的光放大。自那以後，許多國家都開展了關於自由電子雷射的理論與實驗研究。
自由電子雷射的基本原理是通過自由電子和輻射的相互作用，電子將能量轉送給輻射而使輻射強度增大。
自由電子雷射具有一系列已有雷射光源無法替代的優點。例如，頻率連續可調，頻譜範圍廣，峰值功率和平均功率大，且可調，相干性好，偏振強，具有ps量級脈衝的時間結構，且時間結構可控，等等。
自由電子雷射的發展背景
使用電子產生相干輻射，是科技領域長期探討的課題。從二次世界大戰時期發展起來的微波管，如磁控管、速調管、行波管等等，都可以產生相干電磁輻射，並且一直在向短波長、高功率的方向推進。但它們受結構尺寸的限制，很難將波長縮短到光波波段。60年代發明的常規雷射基於原子、分子的能級越遷的原理，是相干光源的劃時代的發展，它推動了人類的科學研究和生產活動，做出了極為重要的貢獻。但它一般說來不便調變波長，而且功率受工作物質發熱的限制。同步輻射利用電子作圓周運動而產生連續譜的輻射，但廣譜輻射經分光後，單色強度卻大受限制，而且是非相干光。同步輻射裝置幾十年中經歷了三代的發展，由於它有廣泛的應用，世界上兼用和專用的裝置已有70餘臺，總投資估計逾10億美元。為了更好地滿足應用的要求，它正在向更短脈衝、更好相干性、更高耀度的第四代發展。下面將要介紹的自由電子雷射（以後簡稱FEL），正是具有這些特徵的嶄新的光源，所以FEL也被稱為第四代同步輻射。
在光波範圍工作的FEL多數使用射頻電子直線加速器提供電子來源。它的工作原理可簡述如下。由加速器產生的高能電子經偏轉磁鐵注入到極性交替變換的扭擺磁鐵中。電子因做扭擺運動而產生電磁輻射（光脈衝），光脈衝經下遊及上遊兩反射鏡反射而與以後的電子束團反覆發生作用。結果是電子沿運動方向群聚成尺寸小於光波波長的微小的束團。這些微束團將它們的動能轉換為光場的能量，使光場振幅增大。這個過程重複多次，直到光強達到飽和。作用後的電子則經下遊的偏轉磁鐵偏轉到系統之外。以上是FEL產生過程的比較形象的描述。從物理學角度看，這個過程就是電子對輻射的受激康普頓散射的結果。這裡一個最為關鍵的環節是電子要聚集成許多短於光波波長的束團。因為，只有這樣它的輻射才是相干的，而FEL的技術難度，恰恰也正在於此。電子束性能必須十分優越（能量分散小，方向分散小，時間穩定度高……），同時流強儘可能大，才能達到要求，顯然，FEL工作波長愈短，技術難度也就愈大。