用超短脈衝雷射實現冷消融、冷切割和冷鑽孔，是二十多年來人們一直期望能夠在工業應用中實現的一個願景。在過去十年間進行的一些早期實驗中，人們用鈦藍寶石放大器產生超快雷射，這些實驗已經證明了超短雷射脈衝在精密機械加工領域所擁有的巨大潛能。但是對於精密機械加工而言，到底多短的脈衝才能滿足精密加工的要求呢？當雷射脈衝作用到材料上時會發生怎樣的反應？對脈衝與材料的作用時間範圍有何要求？
作用原理、作用時間、能量密度
以金屬對雷射脈衝的吸收為例，其從根本上說是能量從雷射脈衝轉移到金屬材料的電子的一個能量轉移過程。對於持續時間為納秒級的脈衝而言，電子與所處晶格之間會發生一個溫度平衡過程，並且最終開始融化材料，直到部分蒸發。
在這個過程中，脈衝越短，能量轉移到電子的速度越快。在理想條件下，如果脈衝足夠短，那麼在電子與晶格之間便沒有足夠的時間產生溫度平衡。接下來，「熱電子」（相對於冷晶格而言）有兩種方式與晶格作用：在一個特徵時間後，來自電子的熱量開始向周圍的晶格擴散。這種電子-聲子弛豫時間是物質的一種屬性，其典型值為1~10ps。在大致相同的時間範圍內，但稍有些延遲，熱電子和晶格之間發生了突然的能量轉移，從而導致相位爆炸，即激活體的蒸發。
從上述解釋可以得出以下兩個基本結論：
1、雷射脈衝的持續時間必須足夠短，以防止電子與晶格之間發生溫度平衡過程。對於金屬和大多數其他材料而言，均要求脈衝持續時間在1~10ps之間甚至更短。
2、由於在熱擴散和消融之間有一個時間延遲，因此始終會存有殘餘熱量，即使是在脈衝最短的情況下。
因此，冷加工必須定義為在最小的熱擴散情況下進行加工，這要求脈衝持續時間在1~10ps之間甚至更短。
雖然皮秒/飛秒雷射脈衝較短的持續時間是冷加工的一個必要條件，但是光有足夠短的脈衝還遠遠不夠。如果熱電子因為過高的雷射能量密度而被「過度加熱」，那麼熱擴散效應將較為明顯，整個加工過程則會轉變為熱過程。一般來講，大約1J/cm2的能量密度，是用皮秒/飛秒雷射脈衝進行消融加工、而不會產生能夠測量得到的熱效應的最佳能量臨界點，即此時具有最佳的低熱穿透深度。
線性吸收與非線性吸收
然而要實現最佳能量臨界點並非易事。除了上述提到的決定熱影響的因素外，光學穿透深度決定了雷射脈衝的哪個部分在什麼深度被吸收。
對於溫和消融而言，光穿透深度應該在1micro;m的區域甚至更淺，這主要有三個原因：
1、光穿透深度決定消融深度。深度太大的消融將不再被視為溫和消融，因為其將導致粗糙的表面和邊緣，特別是對於硬而脆的材料而言，還會有微裂紋產生。
2、若光穿透深度過大，消融過程將變得效率低下，因為大多數雷射脈衝可能不能被吸收，能量浪費較大。
3、針對基底的選擇性消融材料（如薄膜太陽能電池的絕緣體上的薄膜刻圖），光的穿透深度過大可能造成基底材料的損害。
飛秒脈衝和皮秒脈衝的線性吸收所產生的影響往往被忽視，因為脈衝的峰值功率非常高，以至於貫穿多光子過程的非線性吸收相對於線性吸收來講佔據了主導地位。如果上述情況的脈衝持續時間和能量密度的邊界條件都得以滿足，那麼這種說法往往會產生誤導。
為了直觀地說明這一點，圖1給出了矽對能量密度為1J/cm2的脈衝的吸收曲線。 對於持續時間為6ps甚至是更寬的脈衝，線性吸收都絕對超過非線性吸收佔據了主導地位。即使脈衝持續時間為500 fs，這種狀況也不會改變：非線性吸仍然非常低，以至於無法達到想要的1µm級的光穿透深度。
圖1 矽對能量密度為1J/cm2的雷射脈衝的吸收曲線
對於脈衝持續時間為6ps的脈衝（左圖），線性吸收超過了非線性吸收佔據主導地位。即使持續時間為500fs（右圖）的脈衝，其非線性吸收也非常，以至於無法達到想要的1µm級的光學穿透深度。
選擇一個紫外波長，使理論上的最佳性能與實踐中的（如用於矽片切割）相同。出於某種目的，在加工矽片中，使用綠光波長可能就足以滿足要求。
具有適當能量密度與波長的飛秒脈衝及皮秒脈衝，適合用於那些要求熱影響非常小的材料加工應用。此外，對於皮秒脈衝的持續時間而言，產生這些脈衝的技術方法可以大大簡化。無需啁啾脈衝放大（CPA）的直接二極體泵浦和放大（功率調整），對於超短脈衝技術在工業市場的成功，是非常必需的。事實上，對於工業微加工領域一種具有成本效益的應用而言，必須將平均輸出功率增加到50W甚至更高。
光纖與碟片的結合
20世紀70年代棒狀雷射器（開始是燈泵浦後來是二極體泵浦）問世。在超越高平均功率對光束質量限制的同時，棒狀雷射器、二極體泵浦碟片雷射器技術均在20世紀90年代獲得了長足發展，使其成為了工業領域千瓦級連續應用最可靠的技術選擇。
光纖雷射器技術和碟片雷射器技術比傳統的棒狀雷射器技術更為優越，因為它們採用了比雷射激活體更大的散熱面，使TEM00連續運作的功率水平能達到500W甚至更高。在同等的亮度下，細小的光纖芯徑使得光纖雷射器內的雷射強度要遠遠高於碟片雷射器。
然而，當放大皮秒脈衝和飛秒脈衝時，高光強會導致非線性效應，如自相位調製或拉曼散射，這需要在超快光纖放大器中增加複雜的啁啾脈衝放大，或將可獲得的最大脈衝能量限制在6μJ甚至更低。用碟片雷射器技術作為皮秒脈衝的放大器，能夠實現高峰值功率（高達100MW）和低光強，並且不會產生非線性效應。
為了實現具有高脈衝能量（高達250μJ）和高平均功率（高達100W）的皮秒雷射器，需要使用具有以下獨特配置的主振功率放大器：一個基於電信組件的被動鎖模光纖雷射器，作為一個單片集成的、具有成本效益的、可靠的光源，用於低功率和低脈衝能量皮秒脈衝的產生。
利用碟片雷射器將光纖雷射器的輸出功率放大5個數量級，達到紅外功率超過100W，綠光功率達到60W，脈衝頻率範圍200~800kHz，無需使用複雜的啁啾脈衝放大器。即使在這些功率水平，也能實現M21.3的卓越光束質量。此外，對於雷射器的每個可選的參數組合，其輸出光束質量均能保持上述水平。
到達工件的功率
利用超快雷射實現精細加工，最主要的任務是操縱雷射束，並將雷射功率轉換成最大的生產效率和質量。整個加工過程需要充分考慮工件的幾何特徵以及加工精度等要求，構建最終的加工系統。該系統將需要一套的光學元件，如掃描儀、F-Theta透鏡、聚焦元件、波片、穿孔光學元件，以及許多其他元件。
整個加工過程還需要考慮線性或旋轉加工。無論是最先進的線性加工，還是掃描儀，都沒有動態應用超過1MHz的脈衝頻率，儘管雷射技術可能為這方