自由電子的受激輻射原理，雖然1951年曾有人提出，但直到1977年美國斯坦福大學用2.4千高斯的超導磁場、43兆電子伏特能量的電子束，才在波長3.4微米處，獲得了0.36瓦的激光平均功率和7千瓦的峰值功率。所謂“自由電子激光器”，是指一種高功率連續可調諧的新穎激光器件，需要用加速器等複雜設備。這種激光器從理論到實驗目前尚不成熟。
自由電子激光器的工作機製與眾不同，它是從加速器中獲得幾千萬電子伏特的高能調整電子束，這些調整電子經過周期性磁場，形成不同能態的能級，然後在它們之間實現粒子數反轉並產生受激輻射。
自由電子不受原子核的束縛，這樣，自由電子的運動就比較自由，它的能級結構與束縛電子的固定能級結構相比，自由而不受限製。因此，激光輻射波長或頻率隨電子能級的變化（主要由電子能量大小決定）就可以調諧。目前，調諧是通過改變電子束能量大小和磁場強弱的辦法。調諧範圍可以從微波到紅外，甚至X射線波段。
正是由於自由電子不受原子核束縛和不受固定電子軌道的限製等，激光功率和效率可以不斷提高，這種器件既能振**又能放大，脈衝或連續運轉均可。另外，自由電子的能量不易“衰老”，若采用儲存環結構的加速器，電子束還可以重複使用，使效率進一步提高。