自由電子激光器是加速器和激光技術的組合。其主要技術組成是電子加速器、磁擺動器(大多數自由電子激光器的研究都采用靜磁擺動器)、光子光學系統和各種監測、控制系統。

　　自由電子激光器采用的是射頻直線加速器、電子儲存環、靜電加速器、感應直線加速器等脈沖裝置。從加速器引出的高能電子束相當于激光工作物質， 因而電子束質量的好壞直接影響著整個激光器性能。相對論電子束從激光共振腔的一端注入經過擺動器時， 受到空間周期性變化的橫向靜磁場作用。磁場由一組“擺動器”或“波蕩器”的磁鐵產生。磁鐵以交替極性方式布置， 磁場為螺旋式或平面式。在該磁場作用下， 電子束在磁擺動器中一邊前進， 一邊有橫向擺動。例如， 周期性磁場在水平面內， 電子則周期性地上下擺動。電子的橫向及運動方向的改變， 表明電子有加速度。根據電磁輻射理論， 電子有加速就必然會輻射電磁波。這種帶電粒子沿彎曲軌道運動而輻射電磁波， 被稱為同步輻射。同步輻射有一個比較寬的頻率輻射范圍， 但缺乏單色性和相干性。這種自發輻射一般不很強， 峰值電流100A， 脈寬幾皮秒的50M ev能量電子束在典型擺動器中將產生1W 量級峰值自發輻射功率。

　　在磁場的作用下， 電子受到一個作用力而偏離直線軌道， 并產生周期性聚合和發散作用。這相當于一個電偶極子， 在滿足共振關系的情況下電子的橫向振蕩與散射光場相互耦合， 產生了作用在電子上的縱向周期力——有質動力。在有質動力的作用下， 電子束的縱向密度分布受到調制。于是， 電子束被捕獲和軸向群聚。這種群聚后的電子束與腔內光場(輻射場)進一步相互作用， 會產生受激散射光， 使光場能量增加， 得到具有相干性的激光。這是通過自發輻射光子和電子相互作用的反饋機制， 把自發輻射轉換成窄帶相干輻射。而且此輻射電磁波在電子運動的方向上強度最大。因此， 擺動器促成了自由電子激光器中電子和光子間的相互作用。在電子通過擺動器后， 利用彎曲磁鐵把電子和光分離。

　　凡是能使自由電子產生自發輻射的各種機理幾乎都可以產生受激輻射， 如受激康普頓輻射、受激韌致輻射、受激切倫柯夫輻射、受激喇曼散射、受激電磁沖擊輻射等等。因此， 相對應有康普頓激光器、磁韌致激光器、切倫柯夫激光器、喇曼激光器等等。