Podczas gdy pojedynczy magnes z jednorodnym polem magnetycznym powodowałby niezależne, a zatem i niespójnie promieniowanie elektronów, promieniowanie emitowane przez wiązki elektronów powstające w wyniku wielokrotnego oddziaływania pola magnetycznego fali na elektrony, a elektronów na falę wywołuje synchronizację ruchu elektronów i fazy powstającej fali w wyniku czego emitowana fala jest spójna. W kolejnych modułach undulatora natężenie promieniowania wzrasta, zwiększając grupowanie się elektronów w wiązce, a pogrupowane elektrony emitują spójną falę. Proces ten trwa, dopóki elektrony nie zostaną całkowicie pogrupowane, co wymusza pewną liczbę elementów undulatora, jednak dalsze zwiększanie liczby elementów nie poprawi już parametrów emitowanej fali.
Szum Ważnym problemem w działaniu FEL jest zapoczątkowanie emisji. Spontaniczna emisja kwantów promieniowania elektromagnetycznego przez elektrony jest przypadkowa, wnosi to przypadkowość w fazie fali, postrzegane jako szum. By zmniejszyć szum stosuje się wnęki rezonansowe oraz inicjację lasera zewnętrznym impulsem promieniowania spójnego, wówczas FEL pracuje jako wzmacniacz tego promieniowania (en. master oscillator power amplifier – MOPA).