自1960年世界上第一臺(tái)激光器誕生以來(lái)， 隨著激光器技術(shù)的研究和發(fā)展， 人們普遍希望普通激光器的功率、效率、和波長(zhǎng)調(diào)諧范圍能有大幅度地提高， 但對(duì)于普通的激光器來(lái)說(shuō)， 簡(jiǎn)直難于作到， 于是科學(xué)家們開(kāi)始探索新的方法， 新的途徑來(lái)提高激光器的性能。
早在20世紀(jì)50年代初期， 就有人提出了自由電子受激輻射的設(shè)想。1950年， 有人用射頻直線加速器和擺動(dòng)器演示了可見(jiàn)波長(zhǎng)自發(fā)輻射和微波相干輻射。1957 年到1964年間， 自由電子微波激射器問(wèn)世， 稱(chēng)為“ubitron”， 在5mm 波長(zhǎng)上產(chǎn)生150KW的峰值功率。同時(shí)， 人們利用高能電子在軸向磁場(chǎng)中的橫向回旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生毫米波， 但一直到1974年才首次在毫米波段實(shí)現(xiàn)受激輻射。1977年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的紅外波段實(shí)現(xiàn)受激輻射. 當(dāng)時(shí)研究此課題時(shí)所需的電子加速器等設(shè)備相當(dāng)復(fù)雜且價(jià)格昂貴. 1978年， 美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室在紅外區(qū)也取得實(shí)驗(yàn)成功。20世紀(jì)70 年代， 自由電子激光研究還不怎么興旺。當(dāng)它重新開(kāi)始升溫時(shí)， 分別通過(guò)受激康普頓散射和受激拉曼散射發(fā)展。1983年， 法國(guó)奧賽的電磁輻射應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室， 首次用儲(chǔ)存環(huán)中運(yùn)行的電子束獲得激光效應(yīng)， 這臺(tái)新型的自由電子激光器首次在可見(jiàn)光頻段發(fā)射光子。1984年， 美國(guó)物理學(xué)家在加速器上利用電子束放大一束微波輻射， 獲得了高功率、高效率、波長(zhǎng)寬調(diào)諧范圍的激光。
自由電子激光器潛在高輸出功率、高效率特性， 使它首先就被考慮用在國(guó)防上。20世紀(jì)80 年代， 美國(guó)里根總統(tǒng)提出了戰(zhàn)略防御倡議計(jì)劃， 使自由電子激光器成為美國(guó)“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃中陸基或天基定向能武器中最有希望的候選者。這就促使了美國(guó)自由電子激光器的研究、開(kāi)發(fā)取得了一系列很大的進(jìn)展。
激光技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用是以軍事武器的研究應(yīng)用為先導(dǎo)， 而逐步推廣應(yīng)用于民品開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中去的。研究和發(fā)展自由電子激光器的領(lǐng)域十分廣闊， 科學(xué)家們?cè)谠S多領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行了大量嘗試或試探性的應(yīng)用研究工作。由于自由電子激光器體積龐大， 造價(jià)高昂， 極大地限制了其使用范圍。自由電子激光器能否充分發(fā)揮其優(yōu)異特性而走向?qū)嵱茫?最終將取決于器件能否小型化。因此， 國(guó)際上研究自由電子激光器的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向了小型化、實(shí)用化、短波長(zhǎng)(真空紫外、軟X射線)方面。美國(guó)LosAlamos實(shí)驗(yàn)室于1993 年首次實(shí)驗(yàn)成功小型化的自由電子激光器( FEL)。它運(yùn)行在4-6μm波段，輸出峰值功率10MW， 光陰極電子槍的亮度高達(dá)2*10（12）A /m2.rad2， 實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)低能( 17M ev) 電子束產(chǎn)生中紅外自由電子激光。整個(gè)裝置占有較小的空間， 從而使FEL向小型化和實(shí)際應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。另一方面， 人們?cè)谛≈芷诓ㄊ幤鳌⑻摶鸹ǚ烹娧b置及虛火花放電、高壓電源的改進(jìn)等幾項(xiàng)新技術(shù)方面開(kāi)展的研究都為自由電子激光器走向小型化提供了有利條件。同時(shí)， 研制波長(zhǎng)幾毫米以下的微型擺動(dòng)器以及激光擺動(dòng)器、適于上述擺動(dòng)的低能及角度色散電子束源的開(kāi)發(fā)也成為研究的目標(biāo)。另外， 利用切倫科夫輻射和史密斯.帕塞爾輻射的新型自由電子激光器， 體積也大大縮小。
自由電子激光器能否出光， 運(yùn)行質(zhì)量如何， 主要取決于電子束的質(zhì)量和電子加速器的運(yùn)行質(zhì)量。由于激光陰極射頻槍以及高亮度電子儲(chǔ)存研究的進(jìn)展， 很有希望獲得高質(zhì)量的電子束。自由電子激光器裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大， 價(jià)格昂貴、而加速器則是其主要部分， 因此， 自由電子激光器的研究首先要解決的就是研制小型化、簡(jiǎn)單化的加速器。
20世紀(jì)90年代初期， 自由電子激光器的平均功率就已達(dá)11W。為進(jìn)一步提高自由電子激光的輸出功率和效率并進(jìn)一步縮短波長(zhǎng)， 特別是探索更有效的短波長(zhǎng)(紫外及X 射線)自由電子激光的機(jī)理， 人們對(duì)各種與等離子體有關(guān)的“非常規(guī)”自由電子激光器進(jìn)行了研究， 并迅速成為自由電子激光研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)之一。如等離子體波Wiggler自由電子激光， 以等離子體為背景的靜磁Wiggler自由電子激光和離子通道激光。
1994年10月， 日本關(guān)西學(xué)術(shù)文化研究都市津田的自由電子激光研究所制成了兆瓦量級(jí)的自由電子激光實(shí)用裝置。 這歸功于花了二、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(chǔ)技術(shù)。開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)紫外自由電子激光器需要大電流的貯存環(huán)， 長(zhǎng)壽命的電子槍以及10（- 9） Pa的超高真空等技術(shù)。
以自放大自發(fā)輻射為基礎(chǔ)的單程自由電子激光器提供了另一種向真空紫外和X 射線激光推進(jìn)的路線， 這種自由電子激光器可能提供極強(qiáng)的偏振超脈沖類(lèi)激光輻射。除了它們的高峰值亮度和高平均亮度外， 電子能量的可調(diào)諧性使得這種自由電子激光器成為真空紫外和X 射線輻射無(wú)可匹敵的光源。
本世紀(jì)初， 德國(guó)漢堡研究人員報(bào)告了德國(guó)電子同步加速器的真空紫外激光器已產(chǎn)生80 ~120nm可調(diào)諧， 吉瓦級(jí)功率， 30 ~ 100fs脈沖， 其峰值亮度比目前第三代同步輻射源高8 個(gè)數(shù)量級(jí)。2003年開(kāi)始進(jìn)行6nm 自由電子激光器的研究工作。
人們?cè)诔晒Φ亟ㄔ斐稣婵兆贤獠ǘ蔚淖苑糯笞园l(fā)輻射自由電子激光器后， 研究人員把目光放在產(chǎn)生0.1nm最小波長(zhǎng)的X 射線自由電子激光器上。德國(guó)漢堡電子對(duì)撞中心( DESY)的科學(xué)家研制出了相當(dāng)于1000 萬(wàn)倍自然光強(qiáng)度的X 射線激光器。這種自由電子激光器達(dá)到了理論上的最大功率。在紫外線照射時(shí)， 其功率比其它光源要強(qiáng)千倍。這臺(tái)自由電子激光器長(zhǎng)約30米， 波長(zhǎng)范圍在80到180納米之間。據(jù)俄羅斯“勞動(dòng)報(bào)”報(bào)道，西伯利亞科學(xué)家成功地制造出一臺(tái)世界上獨(dú)一無(wú)二的輸出功率和頻率均可調(diào)的自由電子激光器。這臺(tái)自由電子激光器高達(dá)百米， 功率可調(diào)范圍為10~ 100 千瓦， 波長(zhǎng)的變化范圍為2 ~ 30μm， 該激光器的方向性極強(qiáng)， 光束射到月球表面時(shí)， 光斑直徑不超過(guò)30厘米。
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