Розроблено аналітичні моделі автофазної лампи біжучої хвилі з азимутально-несиметричним полем та некогерентного перетворювача частот з урахуванням впливу поля просторового заряду. За допомогою варіаційного методу здійснено оптимізацію автофазного механізму перетворення енергії з урахуванням поля об'ємного заряду. Запропоновано модель стійкості електронних згустків, захоплених комбінаційною хвилею у лазерах на вільних електронах з урахуванням розкиду електронних швидкостей і впливу неадіабатичної зміни полів. Одержано нові умови стійкості згустків. Запропоновано наближену двовимірну нелінійну модель автофазного лазера на вільних електронах (АЛВЕ), яка враховує всі нові умови стійкості. На базі цієї моделі оптимізовано співвідношення параметрів згустків електронів у АЛВЕ та розроблено методику розрахунку вихідних параметрів АЛВЕ, що дозволяє скоротити терміни його розробки на етапі ескізного моделювання.