在自由电子雷射里，相对论性电子束会移动通过一对。每一个波盪器是由一排磁偶极矩组成，其磁场的磁偶极矩交替地指向相反方向。由于这些磁场的作用，电子会发射同步辐射；而这辐射会相干地与电子交互作用，会在共振频率引起辐射场的强烈放大。自由电子雷射能够发射相干的高辐射率的电磁辐射，而且频域相当宽广，从微波到软X-射线。这元件可以应用于制造业、通讯业和各种医疗用途，像软组织手术。现阶段已运行的自由电子雷射有美国史丹福直线加速器中心的直线加速器相干光源（LCLS）、德国电子加速器的汉堡自由电子雷射（Free-elect