I laser ad elettroni liberi, in inglese Free Electron Lasers (FEL) sono sorgenti di radiazione elettromagnetica coerente con caratteristiche simili a quelle dei laser convenzionali a gas o stato solido.

La differenza sostanziale é la sorgente della radiazione che per il FEL sono elettroni che si muovono liberamente attraverso una struttura magnetica detta "ondulatore" il cui campo imprime agli elettroni una traiettoria oscillante. (vedi figura seguente).

 

Durante l'attraversamento dell'ondulatore, l'accoppiamento della velocità trasversa con un campo di radiazione elettromagnetica produce un trasferimento di energia. Ciò provoca sul fascio di elettroni un effetto di micro-impacchettamento che dipende dalla lunghezza d'onda della radiazione e porta all'emissione di radiazione coerente. 

Nei FEL basati su acceleratori lineari (LINAC), l'instabilità di micro-impacchettamento può essere creata con un singolo passaggio in un ondulatore, purché sufficientemente lungo, dove viene prodotta una potenza di radiazione che cresce esponenzialmente.

Questo meccanismo di amplificazione spontanea viene chiamato SASE (Self Amplified Spontaneous Emission - Emissione Spontanea Autoamplificata) ed assicura solo la coerenza trasversa della radiazione, mentre la distribuzione longitudinale mostra un elevato numero di picchi generati dal rumore nella densità dei pacchetti di elettroni.

"Seminare" ("seeding" in inglese) il fascio di elettroni con una sorgente esterna di radiazione alla lunghezza d'onda voluta permette di governare l'instabilità e controllare le proprietà longitudinali della radiazione.

La radiazione generata in uscita risulta estremamente interessante in termini di brillanza, coerenza, durata degli impulsi ed intensità; queste caratteristiche uniche offrono nuove opportunità in molti campi di ricerca: Scienza dei materiali, chimica, biologia, scienze mediche, applicazioni industriali.