飞秒激光器是指利用锁模技术来获得的飞秒量级短脉冲的激光器。所谓飞秒，也叫做毫微微秒，即1飞秒只有10的负15次方秒。飞秒激光不是单色光，而是中心波长在800nm左右的一段波长连续变化光的组合，利用这段范围内连续波长光的空间相干来获得时间上极大的压缩，从而实现飞秒量级的脉冲输出。所采用的激光晶体为激光谱线很宽的钛宝石晶体。
飞秒激光器是仅以千兆分之一秒左右的超短时间放光的“超短脉冲光”发生装置。飞是国际单位制词头飞托(femto)的缩写，1飞秒=1×10-15秒。所谓脉冲光是仅在一瞬间放光。照相机的闪光的发光时间是1微秒左右(即百万分之一。秒)，所以飞秒的超短脉冲光只有其10亿分之一左右的时间放光。众所周知，光速是以30万千米每秒(1秒间绕地球7周半)无与伦比快的速度飞驰而过，但是在1飞秒期间连光也只不过前进了0.3微米。
通常，我们用闪光摄影能够剪下活动物体的瞬间状态。同样如果用飞秒激光器闪光，则连以剧烈速度进行化学反应的过程，都有可能看到其反应的每个片断。为此，可以使用飞秒激光器来研究化学反应之谜。
一般的化学反应是在经过能量高的中间状态，即所谓的“活性化状态”后进行。活性化状态的存在早在1889年已由化学家阿雷尼厄斯从理论上预言，但是因为是在极短瞬间存在，所以无法直接地观察。但是1980年代末通过飞秒激光器直接证明了它的存在，这是用飞秒激光器查明化学反应的一个例子。如环戊酮分子经活性化状态分解为一氧化碳与2个乙烯分子。
高功率飞秒激光系统由四部分组成：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。通过锁模技术将激光能量压缩到如此短的瞬间，再配合啁啾脉冲放大技术(CPA)，可以得到极高瞬间功率的输出激光，其激光的电场强度可以超过原子内原子核和电子之间的电场强度，可用于产生一些极端的物理条件，如天体中物理现象的模拟。
