以磁韧致激光器为例， 磁韧致激光器的工作原理是基于康普顿散射效应和磁韧致辐射效应。被加速的电子通过周期性磁场时， 因受磁场作用产生磁韧致辐射效应而激励电磁波。按洛伦兹变换， 周期横向磁场变成既有磁场又有电场的电磁波。该磁场对电子的作用就象迎面而来的入射光波一样可以产生康普顿散射， 从而诱发受激辐射。在这个过程中， 电子释放的光能大部分被磁场中别处的电子所吸引， 但只有波长λ满足λ= λq /2γ2的光才被放大。受激康普顿散射才是激光。 要产生受激康普顿散射， 必须使高能电子与电磁波( 光子)发生作用。根据理论计算， 磁韧致辐射产生的电磁波其强度可以相当大， 其频率可以很高。放大后的光辐射被限制在光学谐振腔内， 被两块彼此相对的反射镜来回反射， 其往返与脉冲电子束同步， 且通过波荡器调节镜子间隔而产生相干振荡.这个电磁波(光子)作为入射激励波再与新的电子束混合放大， 使光辐射得到进一步相干放大， 而输出高功率的激光脉冲。因此， 当一束高能电子注通过周期横向静磁场时， 可以获得强大的激光输出。在振荡场合下， 光学谐振腔是一个重要的部件。光学谐振腔要求有宽通带特性， 以适应在较宽的波长范围内工作； 光损耗要尽可能减小， 以便于起振。在低增益系统中， 光学谐振作用是提供反馈和为合适性能所需的光学模式提供选择。高增益自由电子激光器则往往不需用光学谐振腔就以产生自放大的自发辐射。可见， 自由电子激光器的发展， 可以说是同步辐射和受激辐射的巧妙结合。它消除了同步辐射所带来的非单色性和非相干性的缺陷。

       控制系统是整个自由电子激光器各部分协调运转的关键所在， 对能否出光起着决定性的作用。它主要由控制台和触发系统两大部分组成。

　　自由电子激光器的波长决定于电子束的速度、电子能量、磁摆动的周期。因此， 通过调节加速电子的能量或者外设电磁场的强度， 很容易改变辐射光的波长， 以实现大范围的调谐。

　　按照电子束的束流大小， 自由电子激光器( FEL ) 可分为拉曼型( Raman 型) 和康普顿型( Comptou型)。工作在可见光或红外波段的康普顿型自由电子激光器(高电子能量、低电子密度) 把激光器波段推向了短波甚至到X 射线； 工作在毫米和亚毫米波段的拉曼型自由电子激光器(低电子能量， 高电子密度) 填补了可见光， 红外光到微波之间的波段。

　　现有的大多数自由电子激光器产生的辐射都由短脉冲组成， 自由电子激光器有可能产生脉宽仅几个飞秒的超短脉冲， 单脉冲能量达到毫焦耳量级。