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Beschleunigern auf eine relativistische Geschwindigkeit beschleunigt. Diese relativistischen Elektronen werden dann in den Undulator injiziert, in dem durch die sinusförmige periodische Bewegungsrichtung der Elektronen die Synchrotronstrahlung erzeugt wird.

Die Elektronen in einem FEL besitzen wie oben beschrieben in der Regel relativistische Geschwindigkeiten. Zudem muss der Elektronenstrahl eine sehr gute Qualität besitzen, was bedeutet, dass die Elektronen möglichst alle die gleiche Geschwindigkeit besitzen. Solch einen Elektronenstrahl zu erzeugen ist äußerst komplex. Dies macht den Freie-Elektronen-Laser zu einer aufwändigen und teuren Anlage, die meistens in eine vorhandene Großforschungsanlage (wie beispielsweise das DESY in Hamburg) integriert wird. Im DESY z.B. sind mehrere Beschleuniger nötig, um letztendlich einen Elektronenstrahl von 1.2 GeV Energie zu erhalten.

Im Undulator wird dieser Elektronenstrahl dann durch alternierend angeordnete Magnete in hin- und hergehende transversale Bewegung versetzt (engl. to undulate ), wodurch Synchrotronstrahlung erzeugt wird. Aufgrund der relativistischen Bewegung der Elektronen ist die Strahlung nahezu vollständig vorwärts entlang der Elektronenbahn gerichtet. Beim FEL wird der Undulator sehr lang gebaut, so dass es zu einer Wechselwirkung zwischen der emittierten Strahlung und dem Elektronenpaket kommt. Der Abstand der Magnete und die Geschwindigkeit der Elektronen werden so aufeinander abgestimmt, dass die Lichtwellen, die an jedem einzelnen Magneten abgegeben werden, konstruktiv interferieren.

Die Funktionsweise als Laser wird möglich durch den Microbunching-Effekt, der dafür sorgt, dass eine Mikrostrukturierung des Elektronenpaketes durch die Wechselwirkung mit der erzeugten Laserstrahlung entsteht. Das Elektronenpaket wird in dünne Scheiben strukturiert, die senkrecht zur Flugrichtung ausgerichtet sind. Diese Scheiben haben einen genau auf die emittierte Strahlung ausgerichteten Abstand, der gleich der

Wellenlänge ist, so dass alle Elektronen in dem Paket gleichzeitig kohärent emittieren können. Durch das phasenrichtige Emittieren der Strahlung addieren sich die Amplituden der einzeln erzeugten Wellen und nicht mehr die Intensitäten, wie es bei zufälliger, nicht phasenrichtig emittierter Strahlung der Fall ist. Die Folge ist, dass die Intensität der emittierten Strahlung beim FEL proportional zum Quadrat der Anzahl der emittierenden Elektronen steigt und nicht mehr linear. Dadurch wird kohärente Strahlung hoher Brillanz erzeugt.

Die Wellenlänge eines FEL kann durchgestimmt werden, indem die Energie der Elektronen oder das Magnetfeld des Undulators variiert wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern ist der Durchstimmbereich prinzipiell nicht begrenzt, da freie Elektronen keine festen Energieniveaus besitzen. Allerdings begrenzen technische Faktoren den Durchstimmbereich.

Verbreitung

Weltweit gibt es zurzeit (2006) 21 Freie-Elektronen-Laser, 15 weitere Anlagen befinden sich in Bau oder Planung. Freie-Elektronen-Laser decken prinzipiell große Teile des spektralen Bereichs ab, sind aber auf einen bestimmten Bereich optimiert. So arbeitet der Particle Physics Lab FEL in Dubna im Millimeterbereich, der FLASH ( free-electron laser in Hamburg ) am DESY im UV-Bereich (6 bis 30 nm). Die zurzeit kurzwelligste Strahlung emittiert die Linac Coherent Light Source in Stanford (USA) mit 0,15 nm. Zukünftige Freie-Elektronen-Laser (z. B. der European X-ray FEL, ebenfalls am DESY) sollen auch den Röntgenbereich noch bis 0,1 nm abdecken. Solche Freie-Elektronen-Laser werden oft auch als

Röntgenlaser bezeichnet.