飛秒激光以其獨特的超短持續時間和超強峰值功率開創了材料超精細、低損傷和空間三維加工處理的新領域，而且應用越來越廣泛。

對金屬材料的加工應用。對一般金屬來說，由于具有很高的熱導性和較高的熔點溫度，在其表面實現高精度和高質量的鉆孔和切割有很大的困難。用傳統的紅外波長激光切割不銹鋼板料，邊緣凹凸不平，表面有溶渣，這是因為材料去除是通過熔化和蒸發獲得的。由于汽化過程的反沖壓力，導致了液相材料的向外膨脹，從而造成環繞加工位置邊緣“冠狀物”的存在，因而大大降低了加工質量和清潔度。而用飛秒激光切割，切縫的邊緣整齊，金屬表面沒有材料熔化的痕跡。飛秒激光精密成形技術已在汽車發動機噴油嘴的成形生產中得到了應用，用飛秒激光精密成形微孔技術已替代了原先電火花加工工藝，孔的清潔度得到大大提高。

對非金屬材料的加工應用。對非金屬材料加工中使用納秒級脈沖時，  由于熱擴散，在照射區的外側會形成熔融相，因此用它加工石英和玻璃等光學材料時的一個大問題就是由于熔融相造成的熱應力將會在加工小孔的周圍產生裂縫。傳統的紅外波長的激光對大多數透明的玻璃甚至根本無法加工，飛秒激光的出現，使這一問題得到了很好的解決。

對透明材料的加工應用。在透明材料中的應用主要指制造光纖通信器件。用飛秒激光器可以在工件內部進行加工，而且不損傷材料表面，因此可以通過改變晶體的折射率，實現透明晶體內部形成光波導或在光纖內實現折射，并且可以實現三維激光存儲。此外還可以對光子晶體、藍寶石、金剛石、水晶等進行加工制作。

對半導體材料的加工應用。傳統的半導體材料加工是采用激光照射，利用材料的應變，并以熱變質的方式達到實用化。而采用飛秒激光器加工材料不僅使材料表面幾乎沒有熱變質層，而且也避免了由熱變質引起的材料損傷，可以實現微米級的加工。