皮秒時間分辨光譜學
從這種時間尺度內所作的光譜學的測量中，可以導出有關超快速過程的大量新知識，其中包括分子與點陣的振動弛豫，無輻射的電子躍遷，溶液中分子取向的弛豫，質子轉移反應，光生物學中的基本過程等。這些問題的研究在皮秒雷射技術問世之前是幾乎無從下手的。裝置 產生皮秒雷射脈衝的方法經常使用由兩個反射鏡組成的腔。反射鏡之一是全反射的；另一個則反射50％左右的光。雷射媒質，例如具有布儒斯特角的釹玻璃棒就放在這兩個反射鏡之間。如果在腔裡面再放置一個裝有飽和吸收劑（往往是有機染料）的盒子時，則可以發生雷射器的鎖模效應；當腔裡面的雷射強度足夠高時，飽和吸收劑便會脫色，並能在極短促的時間內又恢復原狀；這樣，雷射受到了調製，其結果便產生了一串極為短促的雷射脈衝，各相鄰的脈衝的時間間隔取決於腔的長度,一般為幾納(10-9)秒，而每個脈衝的持續時間等於或者小於飽和吸收劑的復原時間；不同飽和吸收劑所產生的脈衝的持續時間大約在10-10～10-14秒之間。
在許多這一類的實驗中，都是從這一串脈衝中抽取出一個脈衝，並加以放大。在鎖模的釹玻璃雷射器的情況中，它的輸出波長1.06μm並不能用來激發大多數分子，而是利用它的各次諧波的波長,如二次諧波的波長530nm，三次諧波的波長350nm，四次諧波的波長265nm。利用鎖模的摻釹釔鋁石榴石雷射或氬離子雷射同步泵浦染料雷射器，還可獲得可調諧的皮秒雷射脈衝輸出。
皮秒時間分辨光譜學可以區別為吸收光譜學和發射光譜學兩類。
皮秒吸收光譜學 在皮秒時間分辨的吸收光譜學中，需要有寬闊的連續帶作為背景。但是，這種連續帶不像尋常吸收光譜中所套用的那種連續帶，而是必須具有皮秒級的脈衝持續時間。產生這種寬闊的連續帶的方法是把強的皮秒雷射脈衝聚焦在某些固體或液體上，而液體（如水、重水、己烷、辛烷等）優於固體，因為液體產生的連續帶的強度高，脈衝持續時間短。利用這種連續帶作為背景便可得到所研究物質的皮秒吸收光譜。當通過階梯光柵之後，連續帶提供出兩種類型的信息：時間的信息和光譜的信息。分析這種信息的最好手段是利用條紋照相機和光學多道分析儀。這種手段可以把皮秒吸收光譜變為三維的顯示，即波長(x軸)，時間(y軸)和強度（z軸）的三維圖。
皮秒吸收光譜學在光化學及光生物學中有很重要的用途，是研究化學大分子與生物學大分子動力學的有力工具。一個例子是光合作用的研究，雖然這種研究早在20世紀30年代就開始了，但一直進展不大。近年來，利用皮秒吸收光譜學技術在這方面取得了明顯成果；其中之一是為細菌葉綠素循環的光感生氧化過程建立起新的合理模型。這些研究使人們對光合作用有了進一步的理解。
皮秒發射光譜學 當分子受到皮秒雷射脈衝的激發之後，一般來說，能發射輻射而形成發射光譜。研究皮秒發射光譜有兩個主要目的。
①因為物質內部的無輻射過程可以把有關能級的壽命減少到皮秒或亞皮秒的量級,因而在這種情況下,利用皮秒光譜技術來直接測量發射的衰減，可以獲得各種快速的無輻射躍遷過程性質的知識。過去，都是利用螢光的量子產額資料來分析引起發射衰減的無輻射過程的。但是產額的大小依賴於輻射衰減速率也依賴於非輻射衰減速率。在螢光的產額的資料中，這兩種過程混在一起了。這樣就無法確定能級壽命縮短的直正原因。皮秒發射光譜學技術能夠抽取出所要測量的螢光衰減曲線的形狀，從而可以定量地確定縮短能級壽命的機理。
②研究多種類型的非指數的衰減。關於這種衰減的原因，近年來通過皮秒發射光譜技術已有了進一步的理解，其原因可以是量子干涉效應也可能是各種瞬態過程的疊加。粗略地說，前者的含義是在利用頻率極窄的雷射脈衝來激發一群分子時，它們的初始相因子基本上都相等，但因為與周圍環境發生作用，在時間過程中會發生相的變化。這種"消相"過程會引起非指數的衰減。後者的含義是由於各發射分子所處的環境各不相同，因而它們的衰減速率也有所不同。這些不同的衰減的疊加也會引起非指數的衰減。非指數的衰減的研究對於了解生物學大分子在各種條件下的弛豫現象是大有幫助的。
皮秒發射光譜學的實驗技術基本上同皮秒吸收光譜學相似。利用由鎖模釹玻璃雷射器輸出中的單個脈衝，加以倍頻並放大後來激發所研究的物質，並以超快條紋照相機及光學多道分析儀來控測分析發射信號。近來發展的皮秒螢光退偏技術可以用來控制化學反應，研究易彎曲分子在溶液中的變形以及這種變形同化學反應性質之間的聯繫等。
由於皮秒雷射技術的發展，皮秒時間分辨光譜學也隨著發展。其中主要的有兩方面：一個方面是利用新的技術可以得到時間寬度更短的雷射脈衝；例如套用光學壓縮技術得到的雷射脈衝的持續時間為30飛秒(3×10-14秒）。這是迄今得到的時間最短的雷射脈衝。另一個方面是套用半導體二極體雷射器把超短雷射脈衝的波長向中紅外區域伸展並且重複速率很高。這些發展將為時間分辨光譜學開拓新的研究內容，從而有可能使人們對自然界本質的認識將更加深入。
