Een vrije-elektronenlaser, of FEL, is een laser die een zeer heldere lichtstraal produceert. Het is in feite een superzaklamp. Het heeft dezelfde optische eigenschappen als conventionele lasers, zoals het uitzenden van een bundel bestaande uit coherente elektromagnetische straling die een hoog vermogen kan bereiken. Het FEL gebruikte werkingsprincipes om de bundel te vormen die zeer verschillende werkingsprincipes van een conventionele laser zijn. In tegenstelling tot gas-, vloeistof- of vaste-stoflasers zoals diodelasers, waarin elektronen worden opgewekt terwijl ze gebonden zijn aan atomen, gebruiken FEL's een relativistische elektronenbundel als het lasermedium dat vrij door een magnetische structuur beweegt, vandaar de term vrij elektron. De vrije-elektronenlaser heeft het breedste frequentiebereik van alle lasertypes en kan op grote schaal worden afgestemd, momenteel in golflengte variërend van microgolven, via terahertzstraling en infrarood, tot het zichtbare spectrum, tot ultraviolet, tot röntgenstraling.
Vrije-elektronische lasers werden uitgevonden door John Madey in 1976 aan de Stanford Universiteit. Het werk bouwt voort op onderzoek van Hans Motz en zijn medewerkers die in 1953 in Stanford de eerste undulator maakten met behulp van de wiggler-magnetische configuratie die het hart vormt van een vrije-elektronenlaser. Madey gebruikte een 24 MeV elektronenbundel en een 5 m lange wiggler om een signaal te versterken. Al snel daarna begonnen andere laboratoria met versnellers met de ontwikkeling van dergelijke lasers.
Vrije-elektronische lasers verbruiken veel elektriciteit wanneer ze werken. Om de energie die nodig is om ze in werking te houden te verminderen, gebruikt de wetenschapper een lineaire versneller voor energieterugwinning om de hoogenergetische elektronenbundel die de laser activeert, te recycleren.
