由于自由电子激光器具有许多一般激光器望尘莫及的优点, 所以自由电子激光器问世后不久,科学家们就开始着手于研究它的应用问题.自由电子激光特别适宜于研究光与原子、分子和凝固态物质的相互作用, 这类研究涉及到固体表面物理、半导体物理、超导体、凝聚态物理、化学、光谱学、非线性光学、生物学、医学、材料、能源、通信、国防和技术科学等多个方面.原子核工程是自由电子激光器应用最有前途的领域之一, 自由电子激光器在此应用上的最大优点是高功率、宽可调光谱范围, 以及准连续运转特点.因此, 可应用于物质提纯、受控核聚变、铀、钆、硼、锶和钛等元素的同位素分离和等离子体加热等.
自由电子激光器的高效率、短脉冲及波长可调的优点, 在工业上也有广阔的应用前景.例如在半导体工艺中的薄膜沉积、平板印刷术、蚀刻、掺杂质等, 自由电子激光器特别适合大批量材料处理, 因为它的波长可调谐, 器件又可放大到能输出高平均功率.用于材料处理时, 要求功率为1 ～5KW, 波长为8 ～ 20μm的自由电子激光器.自由电子激光器还可进行各种化学分析与测量, 可以生产高纯硅晶体、满足计算机生产的需要.集成电路装配, 包括量子处理和光刻可更多地借助短波自由电子激光器.另外, 自由电子激光器还用在激光加工、光CVD等方面的材料, 制作X射线激光器、激光加速器等.
自由电子激光器还用在原子、分子的基础研究上, 光化学可依赖工作在紫外到远紫外区的自由电子激光器.自由电子激光的可调谐性和超短脉冲特性, 使得探索化学反应过程、生化过程的动态过程成为可能.这对研究物质的结构和性能对生成新物质的研究, 将会产生革命性的变革和新的进展.
医学也是自由电子激光器应用最丰富的领域, 而目前当务之急是研制紧凑、实用的小型自由电子激光器, 其主要目的是把价格降到大医院能买得起的水平.对医学研究和治疗而言, 这种激光器可在1 ～ 10μm波段可调, 输出功率不超过几百瓦, 此种应用一般要求有几瓦平均功率.更可观的是自由电子激光器可以为空间站输送能量, 以降低空间站对太阳能电池的依赖性.用于向卫星传输功率时, 要求功率为100KW ～ 1MW,波长为0.86μm的自由电子激光器.在军事上, 自由电子激光器可以成为强激光武器, 是反洲际导弹的激光武器的主要潜在手段之一.自由电子激光器功率虽然强大, 但由于其体积庞大, 因此目前只适宜安装在地面上, 供陆基激光器使用.在毫米波段, 自由电子激光器是唯一有效的强相干信号源, 在毫米波激光雷达、反隐形军事目标和激光致盲等研究中具有不可替代的重要应用价值.
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