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Erreichen lassen sich die im ultrakurzpuls-Laser benötigten kurzen, hochenergetischen Pulse durch das Prinzip der Modenkopplung. Dabei werden die innerhalb des Lasers schwingenden Eigenzustände (Moden) in möglichst hoher Anzahl synchronisiert, um sehr kurze Lichtpulse zu erzielen, die durch die Überlagerung eine extrem hohe Intensitätsverstärkung erfahren. Resultat ist, dass die hochenergetischen Lichtpulse über einen sehr kurzen Zeitraum einen vielfach höheren Energeieintrag in den Werkstoff ermöglichen, als es die kontinuierliche Leistung des Lasers ermöglichen würde. Mit einer kontinuierlichen Leistung von 10W lassen sich so Pikosekunden-Impulse von einigen GW•cm^-2 erzeugen.

Währen konventionelle Laser ihre Leistung kontinuierlich oder in Pulsen bis zu einigen Nanosekunden (10^-9s) Dauer abgeben, liegen die Pulsdauern von UKP-Lasern im Bereich von Pikosekunden (10^-12s) oder wenigen Femtosekunden (10^-15s). Die besondere Wirkung von UKP-Lasern beruht daraus, dass die Dauer der laserpulse kürzer als die für die Wärmediffusion benötigte Zeit.

Aufgrund der kurzzeitig sehr hohen Laserintensität (siehe Kasten) ensteht so ein lokales Temperaturungleichgewicht, das nicht mit dem umgebenden Material ausgeglichen werden kann. Statt wie beim konventionellen Laser erst aufzuschmelzen und dann zu verdampfen, geht das mit einem UKP-Laserimpuls beaufschlagte Material sofort in den gasförmigern Aggregatzustand über (Sublimation).

Obwohl solche Ultrakurzpulse Material in lokalen Mikroexplosionen abtragen, verläuft der Vorgang so schnell, dass das umgebende Material davon weitgehen unbeeinflusst bleibt. Auf diese Weise sind sehr geringe und präzise Ablationsvolumen erreichbar, sodass auch dünne Materialschichten abgetragen werden können. Damit lassen sich - je nach Schmelzpunkt und Wärmeleitfähigkeit des Materials - rund 100-fach feinere Strukturen erzeugen als mit konventionellem Laser.

Aufgrund der hohen Fokussierbarkeit bei gleichzeitig sehr hohem Energieeintrag sind mittels Ultrakurzpuls-Lasern vor allem anspruchsvolle geometrische Bearbeitungsaufgaben möglich. Genutzt wird das bei der Bearbeitung von Mikrostrukturen, wie beispielsweise dem Ausführen von hochpräzisen Bohrungen oder dem Schneiden von kleinsten Bauteilen. Ein wichtiges Einsatzgebiet der UKP-Technik für die Kunstoffverarbeitung findet sich in der Medizintechnik, etwa bei Biostents.

Weiterhin dienen entsprechende Verfahren zur Aufbereitung und Funktionalisierung von Oberflächen. Somit ist es mittels UKP-Laserbearbeitung möglich, verschiedenste Oberflächen hinsichtlich uhrer tribologischen Eigenschaften einzustellen und somit gewünschte Charakteristiken hinsichtlich Haftung und Benetzbarkeit zu erzielen. Ein Beispiel ist hierfür das Verhalten einer Oberfläche im Rahmen der Benetzung mit Flüssigkeiten, also die gezielte Erzeugung von hydrophilem oder hydrophobem ("Lotuseffekt") Verhalten.