自由電子激光器是加速器和激光技術(shù)的組合。其主要技術(shù)組成是電子加速器、磁擺動器(大多數(shù)自由電子激光器的研究都采用靜磁擺動器)、光子光學(xué)系統(tǒng)和各種監(jiān)測、控制系統(tǒng)。

　　自由電子激光器采用的是射頻直線加速器、電子儲存環(huán)、靜電加速器、感應(yīng)直線加速器等脈沖裝置。從加速器引出的高能電子束相當(dāng)于激光工作物質(zhì)， 因而電子束質(zhì)量的好壞直接影響著整個激光器性能。相對論電子束從激光共振腔的一端注入經(jīng)過擺動器時， 受到空間周期性變化的橫向靜磁場作用。磁場由一組“擺動器”或“波蕩器”的磁鐵產(chǎn)生。磁鐵以交替極性方式布置， 磁場為螺旋式或平面式。在該磁場作用下， 電子束在磁擺動器中一邊前進(jìn)， 一邊有橫向擺動。例如， 周期性磁場在水平面內(nèi)， 電子則周期性地上下擺動。電子的橫向及運動方向的改變， 表明電子有加速度。根據(jù)電磁輻射理論， 電子有加速就必然會輻射電磁波。這種帶電粒子沿彎曲軌道運動而輻射電磁波， 被稱為同步輻射。同步輻射有一個比較寬的頻率輻射范圍， 但缺乏單色性和相干性。這種自發(fā)輻射一般不很強(qiáng)， 峰值電流100A， 脈寬幾皮秒的50M ev能量電子束在典型擺動器中將產(chǎn)生1W 量級峰值自發(fā)輻射功率。

　　在磁場的作用下， 電子受到一個作用力而偏離直線軌道， 并產(chǎn)生周期性聚合和發(fā)散作用。這相當(dāng)于一個電偶極子， 在滿足共振關(guān)系的情況下電子的橫向振蕩與散射光場相互耦合， 產(chǎn)生了作用在電子上的縱向周期力——有質(zhì)動力。在有質(zhì)動力的作用下， 電子束的縱向密度分布受到調(diào)制。于是， 電子束被捕獲和軸向群聚。這種群聚后的電子束與腔內(nèi)光場(輻射場)進(jìn)一步相互作用， 會產(chǎn)生受激散射光， 使光場能量增加， 得到具有相干性的激光。這是通過自發(fā)輻射光子和電子相互作用的反饋機(jī)制， 把自發(fā)輻射轉(zhuǎn)換成窄帶相干輻射。而且此輻射電磁波在電子運動的方向上強(qiáng)度最大。因此， 擺動器促成了自由電子激光器中電子和光子間的相互作用。在電子通過擺動器后， 利用彎曲磁鐵把電子和光分離。

　　凡是能使自由電子產(chǎn)生自發(fā)輻射的各種機(jī)理幾乎都可以產(chǎn)生受激輻射， 如受激康普頓輻射、受激韌致輻射、受激切倫柯夫輻射、受激喇曼散射、受激電磁沖擊輻射等等。因此， 相對應(yīng)有康普頓激光器、磁韌致激光器、切倫柯夫激光器、喇曼激光器等等。