LCLS激光器本质上是一台自由电子激光。自由电子激光(Free Electron Laser,简称FEL)是所有激光器种类中最复杂的一种,它是John Madey于1976年在斯坦福大学(对了,又是斯坦福)发明的。目前世界上能正常运行的自由电子激光屈指可数(可以算上脚趾头哦)。它和其他种类激光器有很大不同。一般的激光器,无论是固体、液体还是气体介质,它们的电子都被束缚在介质原子内部,都是靠泵浦机制实现介质的粒子数反转(也就是高能级电子数超过低能级电子数),从而使电子从高向低辐射的能量超过从低向高跃迁所吸收的能量,来实现光的放大。而自由电子激光使用了接近光速运行的高能电子束来作为能量来源,电子束运行在真空中,它们本身同时承载了增益介质的作用。这也是“自由电子”这个名字的来由。
值得注意的是,中文维基说自由电子激光“不依赖于受激发射”,这是不对的,甚至可以说离谱。激光的英文LASER就是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(光的受激辐射放大)”的缩写,而中文“激光”本身也包含了受激辐射的意思。Madey在宣告自由电子激光发明的论文中,题目就是“周期性磁场里轫致辐射的受激发射”。如果不是受激发射,根本就不能称之为激光。