自由电子激光器(FEL)是一类不同于传统激光器的新型高功率相干辐射光源。虽然传统的激光器具有极好的单色性和相干性, 但它的低功率、低效率、固定频率和光束质量差的弱点, 使它大大逊色于自由电子激光器。自由电子激光器不需要气体、液体或固体作为工作物质, 而是将高能电子束的动能直接转换成相干辐射能。因此, 也可以认为自由电子激光器的工作物质就是自由电子。
自由电子激光器是一种新型的强相干辐射源。由于它可能具有高功率、高效率、波长的大范围调谐和超短脉冲的时间结构等一系列优良特性而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。

自由电子激光器较传统激光器有如下优越特性：
(1) 传统的激光器是由电子在原子或分子中确定的能级间跃迁产生光发射实现的,而自由电子激光器没有固有能级的局限性,它的输出波长在很大范围内连续可调。自由电子激光器可以工作在整个电磁谱区,可在普通激光器不能振荡的短波长范围(真空紫外、软X射线)内产生振荡。现在多数与应用相关的自由电子激光器都在近红外、中红外、近紫外光谱波段工作,自由电子激光器也有希望成为远红外和亚毫米波段辐射的重要可调辐射源。
(2) 自由电子激光器最吸引人的地方是它能产生很高的功率。平均功率达几千瓦,数兆瓦的高平均功率也可能达到,峰值功率达到千兆瓦。自由电子激光器由于没有中间能量转换环节，故其效率很高。10Lm波长激光效率在20~50%以上,而效率可通过电子束能量的恢复情况而加以提高。
(3) 由于一般激光器中工作物质性能的衰变,工作寿命短。自由电子激光器的运转机制不受原子、分子介质的影响,因而自由电子本身不存在着寿命问题。
(4) 自由电子激光器光频谱较纯,避免了传统激光器中由激活介质带来的诸如介质吸收、自聚焦等效应,因此有利于改善光束的质量。自由电子激光的光束发散角可以达到衍射极限。另外,自由电子激光还具有窄的时间结构和输出频带,工作稳定和重复性好等特点。

由于自由电子激光器具有许多一般激光器望尘莫及的优点，所以自由电子激光器问世后不久，科学家们就开始着手于研究它的应用问题。自由电子激光特别适宜于研究光与原子、分子和凝固态物质的相互作用，这类研究涉及到固体表面物理、半导体物理、超导体、凝聚态物理、化学、光谱学、非线性光学、生物学、医学、材料、能源、通信、国防和技术科学等多个方面。原子核工程是自由电子激光器应用最有前途的领域之一，自由电子激光器在此应用上的最大优点是高功率、宽可调光谱范围，以及准连续运转特点。因此，可应用于物质提纯、受控核聚变、铀、钆、硼、锶和钛等元素的同位素分离和等离子体加热等。
自由电子激光器的高效率、短脉冲及波长可调的优点，在工业上也有广阔的应用前景。例如在半导体工艺中的薄膜沉积、平板印刷术、蚀刻、掺杂质等，自由电子激光器特别适合大批量材料处理，因为它的波长可调谐，器件又可放大到能输出高平均功率。用于材料处理时，要求功率为1～5KW，波长为8～20Van的自由电子激光器。自由电子激光器还可进行各种化学分析与测量，可以生产高纯硅晶体、满足计算机生产的需要。集成电路装配，包括量子处理和光刻可更多地借助短波自由电子激光器。另外，自由电子激光器还用在激光加工、光CVD等方面的材料，制作X射线激光器、激光加速器等。自由电子激光器还用在原子、分子的基础研究上，光化学可依赖工作在紫外到远紫外区的自由电子激光器。自由电子激光的可调谐性和超短脉冲特性，使得探索化学反应过程、生化过程的动态过程成为可能。这对研究物质的结构和性能对生成新物质的研究，将会产生革命性的变革和新的进展