以磁韌致激光器為例， 磁韌致激光器的工作原理是基于康普頓散射效應和磁韌致輻射效應。被加速的電子通過周期性磁場時， 因受磁場作用產生磁韌致輻射效應而激勵電磁波。按洛倫茲變換， 周期橫向磁場變成既有磁場又有電場的電磁波。該磁場對電子的作用就象迎面而來的入射光波一樣可以產生康普頓散射， 從而誘發受激輻射。在這個過程中， 電子釋放的光能大部分被磁場中別處的電子所吸引， 但只有波長λ滿足λ= λq /2γ2的光才被放大。受激康普頓散射才是激光。 要產生受激康普頓散射， 必須使高能電子與電磁波( 光子)發生作用。根據理論計算， 磁韌致輻射產生的電磁波其強度可以相當大， 其頻率可以很高。放大后的光輻射被限制在光學諧振腔內， 被兩塊彼此相對的反射鏡來回反射， 其往返與脈沖電子束同步， 且通過波蕩器調節鏡子間隔而產生相干振蕩.這個電磁波(光子)作為入射激勵波再與新的電子束混合放大， 使光輻射得到進一步相干放大， 而輸出高功率的激光脈沖。因此， 當一束高能電子注通過周期橫向靜磁場時， 可以獲得強大的激光輸出。在振蕩場合下， 光學諧振腔是一個重要的部件。光學諧振腔要求有寬通帶特性， 以適應在較寬的波長范圍內工作； 光損耗要盡可能減小， 以便于起振。在低增益系統中， 光學諧振作用是提供反饋和為合適性能所需的光學模式提供選擇。高增益自由電子激光器則往往不需用光學諧振腔就以產生自放大的自發輻射。可見， 自由電子激光器的發展， 可以說是同步輻射和受激輻射的巧妙結合。它消除了同步輻射所帶來的非單色性和非相干性的缺陷。
控制系統是整個自由電子激光器各部分協調運轉的關鍵所在， 對能否出光起著決定性的作用。它主要由控制臺和觸發系統兩大部分組成。
自由電子激光器的波長決定于電子束的速度、電子能量、磁擺動的周期。因此， 通過調節加速電子的能量或者外設電磁場的強度， 很容易改變輻射光的波長， 以實現大范圍的調諧。
按照電子束的束流大小， 自由電子激光器( FEL ) 可分為拉曼型( Raman 型) 和康普頓型( Comptou型)。工作在可見光或紅外波段的康普頓型自由電子激光器(高電子能量、低電子密度) 把激光器波段推向了短波甚至到X 射線； 工作在毫米和亞毫米波段的拉曼型自由電子激光器(低電子能量， 高電子密度) 填補了可見光， 紅外光到微波之間的波段。
現有的大多數自由電子激光器產生的輻射都由短脈沖組成， 自由電子激光器有可能產生脈寬僅幾個飛秒的超短脈沖， 單脈沖能量達到毫焦耳量級。
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