自由电子激光器在短波长、大功率、高效率和波长可调节这四大主攻方向上，为激光学科的研究开辟了一条新途径，它可望用于对凝聚态物理学、材料特征、激光武器、激光反导弹、雷达、激光聚变、等离子体诊断、表面特性、非线性以及瞬态现象的研究，在通讯、激光推进器、光谱学、激光分子化学、光化学、同位素分离、遥感等领域，应用的前景十分可观。
由于自由电子激光器的一系列优良特性，其受到人们的格外重视。目前, 除自由电子激光器之外, 还没有一种激光器能同时具备这些特点。这是因为它产生激光的原理与以往的激光器有本质上的不同。自由电子激光器是利用相对论电子束通过周期磁场将电子束的动能转换为辐射能。
自由电子激光器是七十年代中期以来发展起来的一类新型激光器。它将电子束动能转变成激光辐射, 代表了一种全新的产生相干辐射的概念。自由电子激光器一般由电子加速器、摆动器和光学系统几个部分构成。加速器产生的高能电子束, 通过摆动器内沿长度方向交替变化的磁场时, 产生横向摆动, 并以光子的形式损失一部分能量。这部分能量转变成激光辐射, 通过光学系统输出。
自由电子受激辐射的设想曾于1950年由Motz提出，并在1953年进行过实验，因受当时条件的限制，未能得到证实。1971年斯坦福大学的Madey等人重新提出了恒定横向周期磁场中的场致受激辐射理论，并首次在毫米波段实现了受激辐射；1976年Madey小组第一次实现了激光放大，1977年4月斯坦福大学Deacon等人才研制成第一台自由电子激光振荡器。它由一根抽成真空的长5.2米的铜管组成，外面绕有超导导线，以便在整个管上产生一个周期为3.2厘米的变化的横向静磁场（如图），轴上磁感应强度B_0为0.24特斯拉。铜管两端装有反射镜组成谐振腔，腔长12.7米，输出镜面的反射率为1.5%，能散度小于3times10^{-3}的43.5兆电子伏的电子束由超导加速器产生。
工作原理
自由电子激光的物理原理是利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。利用这一基本思想而设计的激光器称为自由电子激光器(简称FEL)。如图1所示，一组扭摆磁铁可以沿z轴方向产生周期性变化的磁场．磁场的方向沿Y轴。由加速器提供的高速电子束经偏转磁铁D导入摆动磁场。由于磁场的作用．电子的轨迹将发生偏转而沿着正弦曲线运动，其运动周期与摆动磁场的相同。这些电子在XOZ面内摇摆前进．沿x方向有一加速度．因而将在前进的方向上自发地发射电磁波。辐射的方向在以电子运动方向为中心的一个角度范围内。
