发态以作为激光介质，其激光产生是把原本处于激发态的原子或分子激发以产生激光；有别于一般激光，FEL的光原来自同步辐射光源，其原理是利用聚频磁铁 (undulator)或增频磁铁 (wiggler)的磁场把高速前进的电子束多次改变方向，从而把电子的动能转为光子。在这些光子与电子束的相互作用下，光得以放大，而电子束也继而以同步方式发放光束，就此得出了激光。由于电子束在磁场中是自由移动的，故命名为“自由电子激光器”。自由电子激光产生过程中不需要介质，也就不需要特定物质以做成居量反转，不被特定物质的能级特性而限