它的工作原理可簡述如下。由加速器產(chǎn)生的高能電子經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁鐵注入到極性交替變換的扭擺磁鐵中。電子因做扭擺運(yùn)動而產(chǎn)生電磁輻射（光脈沖），光脈沖經(jīng)下游及上游兩反射鏡反射而與以后的電子束團(tuán)反復(fù)發(fā)生作用。結(jié)果是電子沿運(yùn)動方向群聚成尺寸小于光波波長的微小的束團(tuán)。這些微束團(tuán)將它們的動能轉(zhuǎn)換為光場的能量，使光場振幅增大。這個過程重復(fù)多次，直到光強(qiáng)達(dá)到飽和。作用后的電子則經(jīng)下游的偏轉(zhuǎn)磁鐵偏轉(zhuǎn)到系統(tǒng)之外。以上是FEL產(chǎn)生過程的比較形象的描述。從物理學(xué)角度看，這個過程就是電子對輻射的受激康普頓散射的結(jié)果。這里一個最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是電子要聚集成許多短于光波波長的束團(tuán)。因為，只有這樣它的輻射才是相干的，而FEL的技術(shù)難度，恰恰也正在于此。電子束性能必須十分優(yōu)越（能量分散小，方向分散小，時間穩(wěn)定度高……），同時流強(qiáng)盡可能大，才能達(dá)到要求，顯然，F(xiàn)EL工作波長愈短，技術(shù)難度也就愈大。

通過穩(wěn)定的電子束來泵浦，配置電子貯存環(huán)讓電子束再加速并再循環(huán)使用，用靜電方法或逆向運(yùn)轉(zhuǎn)的射頻線性加速器使電子減速以充分利用出射電子束的剩余能量，使用上述任何一種方法都可以進(jìn)一步增大總體效率。自由電子激光器輸出的激光波長lambda _s與電子的能量E有關(guān)：lambda _s sim 1/E^2，故改變電子束的加速電壓就可以改變激光波長，這叫做電壓調(diào)諧，其調(diào)諧范圍很寬，原則上可以在任意波長上運(yùn)轉(zhuǎn)。在現(xiàn)有的電子槍和加速器的實驗條件下，可以獲得從毫米波到1000Å的光頻波段范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)諧的相干輻射。自由電子激光器的輸出功率與電子束的能量、電流密度以及磁感應(yīng)強(qiáng)度B_0有關(guān)，它可望成為一種高平均功率、高效率（理論極限達(dá)40%）、高分辨率的具有穩(wěn)定功率和頻率輸出的激光器件，采用它能夠避免某些工藝上的麻煩（如激光工作物質(zhì)稀缺、有毒或腐蝕金屬、玻璃），另外，它基本上不存在使用壽命問題。

自由電子激光器的應(yīng)用

由于自由電子激光器具有許多一般激光器望塵莫及的優(yōu)點, 所以自由電子激光器問世后不久,科學(xué)家們就開始著手于研究它的應(yīng)用問題.自由電子激光特別適宜于研究光與原子、分子和凝固態(tài)物質(zhì)的相互作用, 這類研究涉及到固體表面物理、半導(dǎo)體物理、超導(dǎo)體、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、光譜學(xué)、非線性光學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料、能源、通信、國防和技術(shù)科學(xué)等多個方面.原子核工程是自由電子激光器應(yīng)用最有前途的領(lǐng)域之一, 自由電子激光器在此應(yīng)用上的最大優(yōu)點是高功率、寬可調(diào)光譜范圍, 以及準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)特點.因此, 可應(yīng)用于物質(zhì)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。

自由電子激光器的高效率、短脈沖及波長可調(diào)的優(yōu)點, 在工業(yè)上也有廣闊的應(yīng)用前景.例如在半導(dǎo)體工藝中的薄膜沉積、平板印刷術(shù)、蝕刻、摻雜質(zhì)等, 自由電子激光器特別適合大批量材料處理, 因為它的波長可調(diào)諧, 器件又可放大到能輸出高平均功率.用于材料處理時, 要求功率為1 ～5KW, 波長為8 ～ 20μm的自由電子激光器.自由電子激光器還可進(jìn)行各種化學(xué)分析與測量, 可以生產(chǎn)高純硅晶體、滿足計算機(jī)生產(chǎn)的需要.集成電路裝配, 包括量子處理和光刻可更多地借助短波自由電子激光器.另外, 自由電子激光器還用在激光加工、光CVD等方面的材料, 制作X射線激光器、激光加速器等。

自由電子激光器還用在原子、分子的基礎(chǔ)研究上, 光化學(xué)可依賴工作在紫外到遠(yuǎn)紫外區(qū)的自由電子激光器.自由電子激光的可調(diào)諧性和超短脈沖特性, 使得探索化學(xué)反應(yīng)過程、生化過程的動態(tài)過程成為可能.這對研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能對生成新物質(zhì)的研究, 將會產(chǎn)生革命性的變革和新的進(jìn)展。