Der Freie-Elektronen-Laser ist ein Laser der relativistischen Elektronen-Strahl als Energie- und Lichtquelle benutzt. Es wird also immer ein ein Teilchenbeschleuniger als zentrale Komponente benötigt.
Der Elektronenstrahl wird durch alternierend angeordnete Magnete in hin-und-hergehende transversale Bewegung versetzt (wiggle), wodurch Synchrotronstrahlung entsteht. Bei einer bestimmten, von der Geschwindigkeit der Elektronen und der Größe der Ablenkung abhängenden Wellenlänge, gibt es eine Resonanz zwischen dem Elektronenstrahl und dem Licht, die zur Verstärkung und Kohärenz (Physik) des Lichts führt.
Im Unterschied zu den meisten Laser-Bauarten ist also die Wellenlänge durchstimmbar, mit genügend hoher Energie des Elektronenstrahls bis in den Röntgenbereich.