飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率开创了材料超精细、低损伤和空间三维加工处理的新领域，而且应用越来越广泛。

对金属材料的加工应用。对一般金属来说，由于具有很高的热导性和较高的熔点温度，在其表面实现高精度和高质量的钻孔和切割有很大的困难。用传统的红外波长激光切割不锈钢板料，边缘凹凸不平，表面有溶渣，这是因为材料去除是通过熔化和蒸发获得的。由于汽化过程的反冲压力，导致了液相材料的向外膨胀，从而造成环绕加工位置边缘“冠状物”的存在，因而大大降低了加工质量和清洁度。而用飞秒激光切割，切缝的边缘整齐，金属表面没有材料熔化的痕迹。飞秒激光精密成形技术已在汽车发动机喷油嘴的成形生产中得到了应用，用飞秒激光精密成形微孔技术已替代了原先电火花加工工艺，孔的清洁度得到大大提高。

对非金属材料的加工应用。对非金属材料加工中使用纳秒级脉冲时， 由于热扩散，在照射区的外侧会形成熔融相，因此用它加工石英和玻璃等光学材料时的一个大问题就是由于熔融相造成的热应力将会在加工小孔的周围产生裂缝。传统的红外波长的激光对大多数透明的玻璃甚至根本无法加工，飞秒激光的出现，使这一问题得到了很好的解决。

对透明材料的加工应用。在透明材料中的应用主要指制造光纤通信器件。用飞秒激光器可以在工件内部进行加工，而且不损伤材料表面，因此可以通过改变晶体的折射率，实现透明晶体内部形成光波导或在光纤内实现折射，并且可以实现三维激光存储。此外还可以对光子晶体、蓝宝石、金刚石、水晶等进行加工制作。

对半导体材料的加工应用。传统的半导体材料加工是采用激光照射，利用材料的应变，并以热变质的方式达到实用化。而采用飞秒激光器加工材料不仅使材料表面几乎没有热变质层，而且也避免了由热变质引起的材料损伤，可以实现微米级的加工。