20世纪60年代，为了提高入射粒子和靶粒子相互作用的能量，以产生新粒子、探索微观世界的新现象，高能物理研究者提出了用高能量入射粒子束和靶粒子束的对撞取代入射电子轰击固定靶的想法，这种想法的可行性随着储存环建成得到证实。

存储环为一种特殊的圆形加速器，可以将粒子储存起来，保持几个小时的近光速循环。储存环主要包括电子源（electron source）、直线加速器（linac）、同步加速器（booster synchrotron）、主环（main ring）和线站（beamline and experiment）五个部分。电子由电子源发射，经过直线加速器加速和同步加速器的加速后，被转移到主环上。在主环上，这些粒子被加速到接近光速，为了使电子保持在存储环内的封闭轨道上，在环的路径上安装了强大的弯曲和聚焦磁铁（bending magnets），当电子通过这些弯曲磁铁时，可以产生同步辐射。

储存环提供的相当稳定的电子束流、各频段可调可控的同步光谱分布以及超高真空的工作环境使专用同步辐射光源的建设成为可能。另外，由于同步辐射用户群体在各个学科领域中迅速增长，第一代“寄生”式的同步辐射光源不足以满足他们对机时的需求。1968年，两台专门为同步辐射研究服务的电子储存环投入运行，一台为美国威斯康星（Wisconsin）大学的“大力神”（Tantalus），另一台为日本东京大学的SOR环（Synchrotron-Orbital-Radiation ring），这标志着同步辐射光源起步阶段的结束和大发展阶段的开始。人们将这种基于储存环的专用同步辐射设施称为第二代同步辐射光源，它们在设计时优化的目标就是充分用好同步辐射，一般有较小的束流截面、较高的流强，能安装较多的光束线和实验站，它们大多建于1975-1990年。

我国合肥的国家同步辐射实验室（National Synchrotron Radiation Laboratory, NSRL）即为第二代同步辐射光源，运行在800 MeV，其优势能区为真空紫外和软X射线波段，每年运行时间超过7000小时，开机率优于99%，为国内外用户提供了40000小时以上的优质机时。

在第二代同步辐射光源中，在带电粒子通过主环上的弯铁时发生同步辐射，它在一个狭窄的辐射锥内从电子轨迹切线向外，张角约为电子静止能量与其运动能量的比值，即，弯铁的辐射光谱非常宽。第三代同步辐射光源则通过插入件的使用获得了发射度非常小，束流长期稳定，且偏振、相干性方面品质都很优越的同步光。

插入装置（insertion devices）是一种磁性部件，由极性交替的周期性磁体阵列组成，当电子通过摆动装置时，它会在每个磁体处改变轨迹，从而进行震荡运动。在每一个震荡周期中，电子在运动方向偏转时发出辐射，每个周期的辐射叠加后，总的辐射沿着摆动装置方向出射，从而增加辐射的强度。摆动器（Wigglers）和波动器（Undulators）是使用的两种主要的插入装置，两者只有场强上的区别，工作原理相同。其中，摆动器具有较高的磁场，将得到张角更大、亮度更低的同步辐射，而波动器磁场较小，可以得到张角更小、高亮度的准单色辐射。

第三代光源的出现，掀起了兴建“新光源”的第二波热潮，从20世纪90年代开始，一直延伸到21世纪初期。在第二波热潮的初期，同步辐射界公认按照运行电子能量的高低，可以将同步辐射光源分为两类，GeV的高能光源（硬X射线源）和 GeV的中低能光源（真空紫外和软X射线光源），二者各有分工、相互补充，以保证同步辐射研究能力的有效合理利用。

我国的台湾光源（Taiwan Light Source Beamlines, TLS）、台湾光子源（Taiwan Photon Source, TPS）和上海同步辐射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF）均为第三代同步辐射光源。其中，上海光源2009年建成，为3.5 GeV的中能第三代同步辐射装置，具有波长范围宽、高强度、高亮度、高准直性、高偏振与准相干性、可准确计算、高稳定性等一系列优异的特性。台湾光源TLS于1994年投入运行，电子束能量为1.5 GeV，TPS则在2015年建成，是更为先进的3 GeV第三代同步辐射光源，其亮度达到了1021 phs/mm2/mrad2/s/0.1%BW，被称为“亚洲最亮的3 GeV同步辐射光源”。

第四代同步辐射光源以极高的峰值亮度和高相干性为特征，同时具备脉冲极短、平均功率高等优点，可能的选型包括：短波长自由电子激光（free electron laser, FEL）、衍射极限储存环（the diffraction-limited storage ring, DLSR）、能量回收型直线加速器（Energy Recovering Linacs, ERL）和红外相干光源。其优异的亮度、能量和相干性，使得X射线相干成像等系列全新的实验方法得以实现，对各学科的前沿研究提供重要的支撑。全球现已建成3台第四代同步辐射光源，未来5年，预计将再建成近10台。

HEPS是我国第一台高能量同步辐射光源，其储存环加速器中的电子束流能量为6 GeV，为中国的第一个高能同步辐射装置。通过合理优化设计插入件，可产生亮度高于1×1022 phs/(mm2·mrad2·0.1%BW) 量级的世界最高亮度的、能量高达300 keV的同步辐射光，比SSRF的亮度要高出100倍以上。经光束线上的高精度压弯、单色器、聚焦镜等一系列精密光学系统分光、准直、聚焦等再加工后，HEPS可提供nm空间分辨、ps时间分辨、meV能量分辨的同步光。

如今，同步辐射已经成为数量最多的在线运行大型装置，世界上存在50多个正在建设或运行的光源，分布于23个国家和地区。

早在19世纪末，经典电动力学就预言了同步辐射的存在，当时的物理学家用李纳-维谢尔（Lienard-Wiechert）推迟势来分析运动电荷和变化的电流产生的电磁场，进一步根据得到的电磁场计算辐射的功率和角分布。

为了简单起见，我们只讨论真空中的电磁场。在经典电动力学中，定义矢势A和标势φ来描述电磁场，由磁场的无源性引入矢势A：

将其代入洛伦兹方程组，得到变化电场的表达式，与静电场不同，该电场加上了磁感应项：

因为在定义中仅仅确定了A的旋度，而电磁场本身对A的散度没有任何约束，只有旋度的定义时不足以确定矢量场，因此，我们采用规范条件来确定A的散度。在处理辐射问题时，一般使用洛伦兹规范：

将其代入洛伦兹方程组可以得到达朗贝尔方程：

这是非齐次的波动方程，其自由项为电流密度和电荷密度，说明电荷将产生标势波动，而电流产生矢势波动。离开电流和电荷的分布区域后，矢量和标量均以波动的形式在空间中传播，它们导出的电场和磁场也将以波动的形式在空间中传播。需要注意的是，电场和磁场的分布与规范的选择无关。

将电荷和电流的分布代入达朗贝尔方程求解电磁场，得到对于一般随时间变化的电荷分布所激发的标势为：

其中，r为发光点到观察点的距离。同理，变化电流所激发的矢势分布为：

说明空间某点处t时刻的电磁场由较早时刻在位置处的电荷电流分布决定，即电荷产生的物理作用不能立即传至场点，电磁作用需要一定的传播时间。这个矢势和标势被称为推迟势。

将计算得到的推迟势代回其定义式中，可以得到运动电荷所产生的电场和磁场分布。考虑最简单的情况，对于单个电子运动，可以计算得到它发出的电磁场为：

其中，n为发光点指向观察点方向的单位向量，β 为用光速c归一化后带电粒子的速度，γ 为洛伦兹变化因子，为推迟因子，下标t* 表示有关量在t* 时刻即推迟时刻的取值。

该电磁场可以分为两个部分：第一部分为近场，仅仅与电荷运动的速度有关，因为其大小和发光点到观察点的距离r的平方成正比，该项不向远处产生辐射；第二部分为远场，与电荷加速度有关，是电磁辐射的来源。当带电粒子匀速直线运动，第二部分为零，它的电磁场不产生辐射，这种电磁场的波印廷矢量包裹着电荷并随之向前飞行，不向远处发射能量；当带电粒子受外力作用而减速时发出轫致辐射；当粒子低速往复运动时，发出振荡电荷的辐射；当电子以近光速运动、加速度方向与速度方向基本垂直、电子速度方向变化而大小基本不变时，发出同步辐射。

同步辐射涵盖了电磁波谱中广泛的波长范围，因同步辐射源而异，一般包含红外线、可见光、紫外线和X射线。其中，硬X射线的波长约为0.1 nm，约为原子尺寸，对与原子尺度上物质和材料的研究至关重要。并且，同步辐射发出的光谱具有“连续”和“平滑”的特征，即光谱中既没有下凹的断点，也没有凸起的特征峰。可根据需要，利用单色器选取一定波长和带宽的单色光进行单色光实验，这称为同步辐射波长的可调性（tunability），特别适合开展针对特定波长的光与物质相互作用研究（如吸收谱）和连续改变波长进行扫描的谱学研究。

同步辐射的发散角小，光线几乎是平行的，宜于远距离传输和开展对光的入射角一致性有要求的用光实验。

由于单个电子同步辐射发出的瞬时功率正比于洛伦兹因子 γ 的四次幂，而相对论性粒子的 γ 远大于1，所以同步辐射源有相当可观的功率。

同步辐射的亮度指辐射能量的集中程度，采用最多的定义为光子的六维相空间峰值密度：光子数/（时间×0.1%的带宽×光源面积×立体角）。与常规X光机产生的X光相比，同步辐射光的亮度高出约4-14个量级，更高的亮度意味着可以在空间、能量、时间等维度上获得更好的分辨能力和更高的实验效率。对于物质结构探针——X射线而言，更高的亮度则意味着能将物质内部的微观结构“看”得更清楚，因此，获得更高亮度的X射线源一直是科学技术人员孜孜不倦追求的目标。

同步辐射具有天然的偏振性，其电矢量的振动主要在与弯转轨道平面平行的方向上，偏振度依赖于光线与该平面的交角，同时也是波长的函数。对于整个频谱，平行分量占总辐射功率的87.5%。对于单色光，光子能量越高，平行分量占的比重越大，偏振度越高。辐射的偏振性对样品的各向异性研究起至关重要的作用。

电子因同步辐射损失的能量需要通过高频加速电场补充，该电场的强度随时间周期性变化，将电子束分割为若干个不连续的束团，因此，产生的同步辐射也是脉冲的，脉冲宽度等于单个束团的长度，脉冲间隔则等于相邻束团之间的距离，具有时间分辨。脉冲性的时间结构使同步辐射特别适宜于对某些动态过程进行研究。

同步辐射的电子束处于超高真空环境中，光束不必穿过隔窗和气体，对于容易被空气吸收的真空紫外能段有重要意义。

同步辐射的发光机制只涉及高能电子在磁场中的运动，完全由基本物理规律主宰，无需考虑诸如介质密度涨落、化学纯度、温度分布等一系列难以精确测定的因素，其光子通量的光谱分布、偏振性和角分布等特性都可以用公式计算。这一优点使同步辐射源可以作为覆盖宽阔频段的标准光源，对其它光源和探测器进行校准。

除了可以在实验室中产生，一些天体现象中也观察到同步辐射，辐射波长从无线电波到 γ 射线，可以产生于中子星和脉冲星、矮星、行星、星系、星际物质和宇宙源。例如，“超新星爆发”现象就与同步辐射息息相关：当质量足够大的天体演化到衰亡阶段时，将向其中心坍陷，同时喷射出大量高速电荷，周围存在的极强的磁场将改变高速运动电荷的运动方向并向远方发出极强的同步辐射，光辉夺目。超新星爆发结束后，该恒星将形成一个致密的内核（中子星）和外围的云状弥漫物质，该弥漫物质体积庞大并不断膨胀，而这个体系内部存在极强的磁场约束着高速运动的电荷，成为太空中长期存在的同步辐射源。