La mancanza di qualsiasi dispositivo di riflessione (specchio) alle lunghezze d'onda dell'estremo ultravioletto e dei raggi-X rende impossibile il funzionamento di un oscillatore FEL; conseguentemente, deve esistere una appropriata amplificazione su di un singolo passaggio del fascio di elettroni attraverso l'ondulatore per rendere davvero utile il FEL. I laser a raggi-X generati dai laser a elettroni liberi utilizzano lunghi ondulatori. Il principio sottostante degli intensi impulsi dal laser a raggi-X si basa sul principio della Self-Amplified Spontaneous Emission (SASE), che porta al "microbunching" degli elettroni. Inizialmente, tutti gli elettroni sono distribuiti in modo regolare e possono soltanto emettere radiazione spontanea incoerente. Grazie all'interazione di questa radiazione e all'oscillazione degli elettroni, questi tendono a convergere in "microbunches" separati da una distanza eguale ad una lunghezza d'onda della radiazione. Attraverso questa interazione, tutti gli elettroni cominciano ad emettere radiazione coerente in fase. In altre parole, tutta la radiazione emessa può rinforzarsi da sé perfettamente, laddove le creste e i declivi dell'onda sono sempre sovrapposti uno sull'altra nel migliore modo possibile. Questo dà luogo ad un aumento esponenziale della potenza della radiazione emessa, portando ad alte intensità del fascio di raggi-X e alla proprietà di possedere un ristretto numero di frequenze (o praticamente una sola frequenza nei laser monocromatici), in modo simile a quello di un laser.