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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(yīng)和磁韌致輻射效應(yīng)。被加速的電子通過(guò)周期性磁場(chǎng)時(shí)， 因受磁場(chǎng)作用產(chǎn)生磁韌致輻射效應(yīng)而激勵(lì)電磁波。按洛倫茲變換， 周期橫向磁場(chǎng)變成既有磁場(chǎng)又有電場(chǎng)的電磁波。該磁場(chǎng)對(duì)電子的作用就象迎面而來(lái)的入射光波一樣可以產(chǎn)生康普頓散射， 從而誘發(fā)受激輻射。在這個(gè)過(guò)程中， 電子釋放的光能大部分被磁場(chǎng)中別處的電子所吸引， 但只有波長(zhǎng)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(chǎn)生受激康普頓散射， 必須使高能電子與電磁波( 光子)發(fā)生作用。根據(jù)理論計(jì)算， 磁韌致輻射產(chǎn)生的電磁波其強(qiáng)度可以相當(dāng)大， 其頻率可以很高。放大后的光輻射被限制在光學(xué)諧振腔內(nèi)， 被兩塊彼此相對(duì)的反射鏡來(lái)回反射， 其往返與脈沖電子束同步， 且通過(guò)波蕩器調(diào)節(jié)鏡子間隔而產(chǎn)生相干振蕩.這個(gè)電磁波(光子)作為入射激勵(lì)波再與新的電子束混合放大， 使光輻射得到進(jìn)一步相干放大， 而輸出高功率的激光脈沖。因此， 當(dāng)一束高能電子注通過(guò)周期橫向靜磁場(chǎng)時(shí)， 可以獲得強(qiáng)大的激光輸出。在振蕩場(chǎng)合下， 光學(xué)諧振腔是一個(gè)重要的部件。光學(xué)諧振腔要求有寬通帶特性， 以適應(yīng)在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作； 光損耗要盡可能減小， 以便于起振。在低增益系統(tǒng)中， 光學(xué)諧振作用是提供反饋和為合適性能所需的光學(xué)模式提供選擇。高增益自由電子激光器則往往不需用光學(xué)諧振腔就以產(chǎn)生自放大的自發(fā)輻射。可見(jiàn)， 自由電子激光器的發(fā)展， 可以說(shuō)是同步輻射和受激輻射的巧妙結(jié)合。它消除了同步輻射所帶來(lái)的非單色性和非相干性的缺陷。
控制系統(tǒng)是整個(gè)自由電子激光器各部分協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在， 對(duì)能否出光起著決定性的作用。它主要由控制臺(tái)和觸發(fā)系統(tǒng)兩大部分組成。
自由電子激光器的波長(zhǎng)決定于電子束的速度、電子能量、磁擺動(dòng)的周期。因此， 通過(guò)調(diào)節(jié)加速電子的能量或者外設(shè)電磁場(chǎng)的強(qiáng)度， 很容易改變輻射光的波長(zhǎng)， 以實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)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(jiàn)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(bǔ)了可見(jiàn)光， 紅外光到微波之間的波段。
現(xiàn)有的大多數(shù)自由電子激光器產(chǎn)生的輻射都由短脈沖組成， 自由電子激光器有可能產(chǎn)生脈寬僅幾個(gè)飛秒的超短脈沖， 單脈沖能量達(dá)到毫焦耳量級(jí)。
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