激光是基于受激發射放大原理而產生的一種相干光輻射。處于激發態的原子是不穩定的，在沒有任何外界作用下，激發態原子會自發輻射而產生光子。而在有外界作用下，則會增加兩種新的形式：受激輻射和受激吸收。激光是通過受激輻射來實現放大的光，而光和原子系統相互作用時，總是同時存在著自發輻射、受激輻射、受激吸收(在有外界作用下，自發輻射相對較弱，可以忽略)。
飛秒激光器的原理
飛秒激光器為了能產生激光，就必須使受激輻射強度超過受激吸收強度，即使高能態的原子數多于低能態的原子數。這種不同于平衡態粒子分布的狀態稱為粒子數反轉分布。也就是，飛秒激光器要產生激光，必須實現粒子數反轉分布。
粒子數反轉分布是產生激光的一個必要條件，而要實現粒子數反轉分布和產生激光還必須滿足三個條件：
①要有能形成粒子數反轉分布的物質，即激活介質(這類物質具有合適的能級結構)；
②要有必要的能量輸入系統給激活介質能量，使盡可能多的原子吸收能量后躍遷到高能態以實現粒子數反轉，這一系統稱作激勵能源(或泵浦源)；
③要有光的正反饋系統——光學諧振腔，當一定頻率的光輻射通過粒子數反轉分布的激活介質時，受激輻射的光子數多于受激吸收的光子數可使光輻射得到放大，要使這種光放大并且以一個副長光子感應產生一個受激發射光子的單次過程為主，還能形成高單色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必須使用光學諧振腔。
因此，常用飛秒激光器由三部分組成：激活介質、激勵能源、光學諧振腔。
飛秒激光器的作用
眾所周知，物質是由分子和原子組成的，但是它們不是靜止的，都在快速地運動著，這是微觀物質的一個非常重要的基本屬性。飛秒激光器的出現使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運動過程。基于這些科學上的發現，飛秒激光器在物理學、生物學、化學控制反應、光通訊等領域中得到了廣泛應用。由于飛秒激光器具有快速和高分辨率特性，它在病變早期診斷、醫學成象和生物活體檢測、外科醫療及超小型衛星的制造上都有其獨特的優點和不可替代的作用。