Laser electron tự do (tiếng Anh là Free Electron Laser, viết tắt FEL) là một loại laser có khả năng đổi màu (tunability) và tính phát quang đồng pha (coherent radiation) theo một nguyên tắc chung từ sóng mi-li-mét đến quang tuyến X. FEL khác với các loại laser thường ở chỗ FEL dùng electron không ràng buộc vào nguyên tử hay phân tử nào, cho nên có tên electron tự do. FEL sử dụng tia electron bay trong chân không với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng (c = 2,9979 x 108 m/s) với năng lượng từ MeV (mega electron-volt) đến GeV (giga electron-volt), thông qua một chuỗi nam châm có từ trường dạng cos với số sóng ku, B = B0cos(kuz); z là vị trí trong chuỗi nam châm theo hướng đi của electron. Chuỗi nam châm này được gọi là máy gợn sóng (undulator) hoặc máy lắc lư (wiggler) tùy theo góc độ của quỹ đạo của electron với hướng đi trước khi vào máy (góc độ nhỏ undulator; góc độ lớn wiggler). Dưới ảnh hưởng của từ trường dạng cos, electron bị lực đẩy Lorentz và chạy theo quỹ đạo cũng có dạng cos, x = x0cos(kuz). Nếu nhìn từ xa ngược hướng đi electron, chúng ta sẽ thấy electron lắc lư qua lại (wiggle) trong máy gợn sóng. Giống như electron lắc lư trong ăng-ten phát ra sóng ra-dô (radio wave), electron lắc lư trong máy gợn sóng sẽ phóng phát sóng điện từ (electromagnetic wave), có nghĩa là, electron phát chùm ánh sáng cùng hướng đi với electron và thẳng góc với hướng lắc lư.Đây chỉ là nguyên tắc của sự phát quang máy gợn sóng (undulator radiation) trong xincrôtron. Máy xincrôtron sử dụng electron với năng lượng GeV (giga electron-volt) để phát quang trong vùng quang tuyến X, thường dùng trong khảo cứu hóa sinh. Ánh sáng xincrôtron chưa thực sự là ánh sáng laser bởi vì ánh sáng xincrôtron không có tính đồng pha (coherence) và không được sự khuếch đại ánh sáng (light amplification). Để có tính đồng pha và sự khuếch đại ánh sáng, electron trong lúc phát quang phải dính chùm (bunch) với nhau và khoảng cách giữa hai chùm phải bằng một độ dài sóng (wavelength) của ánh sáng, gọi là sự dính chùm tiểu vi (microbunching). Sự dính chùm tiểu vi xảy ra tự nhiên trong FEL bởi vì electron thay đổi (tăng hoặc mất) năng lượng tùy thuộc vào pha của electron với sóng ánh sáng. Electron tăng/mất năng lượng sẽ sinh ra sự điều chế năng lượng (energy modulation), dẫn đến sự điều chế dòng điện (current modulation). Có nghĩa là electron bắt đầu với dòng điện DC (không bị điều chế) sau khi tác dụng với FEL sẽ biến thành dòng điện AC với khoảng cách điều chế (modulation length) bằng độ dài sóng. Electron bị dính chùm phát quang mạnh hơn và vì thế cường độ ánh sáng FEL được khuếch đại bằng số electron trong khoảng cách điều chế. Số electron này rất cao, từ 106 đến 1010, cho nên ánh sáng FEL mạnh hơn ánh sáng máy gợn sóng (undulator radiation) hàng triệu đến hàng tỉ lần.