它的工作原理可简述如下。由加速器产生的高能电子经偏转磁铁注入到极性交替变换的扭摆磁铁中。电子因做扭摆运动而产生电磁辐射（光脉冲），光脉冲经下游及上游两反射镜反射而与以后的电子束团反复发生作用。结果是电子沿运动方向群聚成尺寸小于光波波长的微小的束团。这些微束团将它们的动能转换为光场的能量，使光场振幅增大。这个过程重复多次，直到光强达到饱和。作用后的电子则经下游的偏转磁铁偏转到系统之外。以上是FEL产生过程的比较形象的描述。从物理学角度看，这个过程就是电子对辐射的受激康普顿散射的结果。这里一个最为关键的环节是电子要聚集成许多短于光波波长的束团。因为，只有这样它的辐射才是相干的，而FEL的技术难度，恰恰也正在于此。电子束性能必须十分优越（能量分散小，方向分散小，时间稳定度高……），同时流强尽可能大，才能达到要求，显然，FEL工作波长愈短，技术难度也就愈大。
通过稳定的电子束来泵浦，配置电子贮存环让电子束再加速并再循环使用，用静电方法或逆向运转的射频线性加速器使电子减速以充分利用出射电子束的剩余能量，使用上述任何一种方法都可以进一步增大总体效率。自由电子激光器输出的激光波长lambda _s与电子的能量E有关：lambda _s sim 1/E^2，故改变电子束的加速电压就可以改变激光波长，这叫做电压调谐，其调谐范围很宽，原则上可以在任意波长上运转。在现有的电子枪和加速器的实验条件下，可以获得从毫米波到1000Å的光频波段范围内的连续调谐的相干辐射。自由电子激光器的输出功率与电子束的能量、电流密度以及磁感应强度B_0有关，它可望成为一种高平均功率、高效率（理论极限达40%）、高分辨率的具有稳定功率和频率输出的激光器件，采用它能够避免某些工艺上的麻烦（如激光工作物质稀缺、有毒或腐蚀金属、玻璃），另外，它基本上不存在使用寿命问题。
自由电子激光器的应用
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 ～ 20μm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。
