自由電子激光器（FEL）是一個（第四代）同步加速器光源產生極其輝煌同步輻射和短脈沖。自由電子激光器的功能和行為類似于激光，但它不是使用原子或分子激發的受激發射，而是采用相對論電子作為增益介質。一束電子通過磁性結構（稱為起伏器或擺動器）時會產生同步輻射）。在自由電子激光器中，當同步加速器輻射與電子束重新相互作用時，該輻射會進一步放大，從而使電子開始相干發射，從而使總體輻射強度呈指數增長。

作為電子動能和波蕩器參數可適于根據需要，自由電子激光器是可調諧的，并且可以用于更廣泛的建立頻率范圍比任何類型的激光器，目前不等波長從微波，通過太赫茲輻射和紅外線，于可見光譜、紫外光和透視。

約翰·馬迪（John Madey）于1971年在斯坦福大學開發了xxx臺自由電子激光器，它利用了漢斯·莫茨（Hans Motz）和他的同事們的技術，后者于1953年在斯坦福大學制造了一個起伏器，使用了擺動磁結構。Madey使用43 MeV電子束^[8]和5 m長的擺動器來放大信號。

自由電子激光器需要使用具有相關屏蔽功能的電子加速器，因為如果電子的吸收不當，加速電子可能會產生輻射危害。這些加速器通常由速調管供電，速調管需要高壓電源。電子束必須保持在真空中，這要求沿束路徑使用多個真空泵。盡管該設備體積龐大且昂貴，但自由電子激光器可以實現非常高的峰值功率，而自由電子激光器的可調諧性使其成為許多學科的理想之選，包括化學，生物學中分子的結構確定，醫學診斷和無損檢測。