Dans le cadre de l'interaction laser-matériau, la définition du terme "ultrarapide" fait généralement référence à un régime non thermique d'absorption d'énergie. Ce traitement "à froid" est l'un des principaux facteurs de distinction entre les lasers à durée d'impulsion picoseconde et femtoseconde et les lasers à durée d'impulsion mesurée en nanosecondes. Le régime d'absorption non thermique est d'une importance cruciale pour certaines applications, car il élimine pratiquement tout dommage thermique aux matériaux, permet la création de caractéristiques plus petites et autorise un contrôle plus précis du processus. Deux mécanismes principaux sont responsables du passage du régime thermique au régime non thermique.

Puissance de crête élevée : Par rapport à la puissance de sortie moyenne, les lasers ultrarapides génèrent des puissances de crête plus élevées que les lasers à ondes continues, à ondes quasi-continues et les lasers à nanosecondes. Cette puissance de crête exceptionnellement élevée résulte de l'absorption simultanée de plusieurs photons par le matériau cible. L'énergie de ces photons est additive car ils atteignent la cible en même temps et dans le même espace.

Ablation à froid : La courte durée d'impulsion des lasers ultrarapides limite considérablement le temps dont dispose la chaleur pour se diffuser dans le matériau en vrac. Les impulsions individuelles enlèvent ou ablatent instantanément un volume extrêmement réduit de matériau tout en ne créant pratiquement aucune zone affectée par la chaleur. L'augmentation de l'énergie des impulsions permet d'obtenir des taux d'enlèvement de matière plus élevés plutôt qu'un échauffement supplémentaire.