一種能觀察物理和化學的瞬態過程並能分辨其時間的光譜。在液相中，很多物理和化學過程，如分子的順－反異構和定向弛豫、電荷和質子的轉移、激發態分子碰撞預解離、能量傳遞和螢光壽命，以及電子在水中溶劑化等，僅需10-8秒就能完成。隻有在皮秒雷射脈衝實現後才有可能及時地觀察這些極快過程。1966年第一次利用鎖模 Nd3+：YAG雷射器獲得瞭皮秒的超超短光脈沖。近年來又利用聲光調制鎖模染料激光器獲得10-11秒的光脈沖。利用光學延遲（10-9秒/30厘米）或同時泵浦兩臺染料激光器，可準確地控制泵浦和探測激光脈沖的時間間隔。利用脈寬為4皮秒的297納米的線偏振激光，可將反式1，2-二苯乙烯泵浦到第一單重激發態的某一特定振轉能級。由於偏振光的作用，迫使激發的振轉態分子按一定方向排列，因而它的發射和吸收也具有偏振性，當它們還來不及與周圍分子發生碰撞時，用第二束594納米的偏振光脈沖經皮秒光學延遲，進行探測。根據探測光偏振度的變化，便可知道分子內的能量傳遞過程。實驗發現，被激發的振轉分子的壽命為24皮秒。如果這種分子被吸附在固體表面上，則激發後壽命僅有3皮秒。將順式-1，2-二苯乙烯溶於正己烷中，用脈寬僅為0.1皮秒的312.5納米光脈沖泵浦，然後用光學延遲的312.5和625納米光脈沖分別進行探測，發現順式體在紫外線作用下首先生成壽命為3皮秒的中間體，然後過渡到壽命為1.35皮秒的電子激發態，最後才轉變為反式體。這樣便及時地跟蹤瞭分子在光作用下異構化的動態過程。用脈寬為5皮秒的530 納米的光脈沖將溶在四氯化碳中的碘分子離解為原子，然後用同樣激光脈沖經衰減和光學延遲後來探測重新生成的碘分子的吸收。這樣及時地觀察到碘原子逃出液相“籠”進行重合所需的時間為140皮秒。用355納米皮秒光脈沖來激勵在聚苯乙烯共聚膜中的2-羥基苯並三唑分子，並用超快條紋照相機記錄激發態分子發出的熒光，發現在激勵後10皮秒，才出現持續時間為29皮秒的紅光。這是由於激發態分子內質子轉移形成新的分子而發出的輻射。

　　在氣相中，由於分子間作用較弱，小分子之間的傳能和反應所需的時間大都在納秒到毫秒數量級，使用輸出脈寬為10納秒的準分子激光和染料激光來進行泵浦和探測，就能研究分子傳能和基元化學反應過程。

　　激光光解可得到反應性很強的自由基碎片。如果在自由基產生後的不同時間內用第二束激光來激勵自由基，就能獲得它的激光激發譜。這樣，就能準確知道，在不同時間內自由基的相對粒子數和振動轉動佈居，從而同時獲得自由基的化學反應速率和能量傳遞速率。對於不發射熒光的分子，可以使用多光子電離、吸收等方法進行測量。