飞秒激光脉冲通过偏振及能量控制系统，粗略调控其能量，并控制激光为偏振方向平行于水平方向的线偏振光。采用双柱透镜法，对飞秒激光脉冲空间形状进行整形，以配合后面的色散系统生成具有特定光谱分布的入射激光。使用两个平行放置的具有相同参数的闪耀光栅，将脉冲不同频率在空间上展开，引入一定的空间啁啾。由偏振及能量控制系统精细调节脉冲能量和偏振方向。利用物镜进行聚焦，只有在物镜的焦点处，脉冲的不同频率分量在空间上才是重合的，可以达到傅里叶变换极限的最短脉冲宽度，峰值光强也最高。样片的位置由一个计算机控制的六轴平移台来控制。加工过程可以通过CCD实时观测。

在透明材料内部直写光波导或者制备三维微流体结构等应用往往需要获得三维各向同性的加工分辨率。对于传统聚焦的飞秒激光来说，焦点的瑞利距离总是大于横向焦斑，使得加工的横向分辨率总是优于纵向分辨率。为此，人们发明了多种脉冲整形技术，其中飞秒激光时空聚焦技术一经提出，立刻引起了人们广泛的关注。时空同步聚焦加工可增加沿着光轴方向上的加工精度，并有效避免非线性效应；可以实现许多传统加工难以实现的灵活控制，诸如光场的暗聚焦，远程光斑位置调节正反不对称加工等。由于这些优势使得飞秒激光时空聚焦加工在飞秒激光非互易直写、三维光刻、3D打印等领域有着广泛的应用。多个研究小组也研究了时空聚焦飞秒激光在空气、水、生物组织等物质中的传输规律及其与物质相互作用的新现象。

（1）可以大幅拓展双光子聚合打印的最终尺寸，并在荧光显微、光斑控制、微通道加工和三维纳米快速成型等方面具有诸多应用；

（2）在飞秒激光成丝、等离子体的超快操控、极端非线性光学、远程遥感等领域中获得更多新的进展与突破；

（3）在微流控、光子集成、太赫兹光学、3D打印等方面均有望发挥及其重要的作用，解决关键性的科学问题； 

（4）利用时空聚焦技术可以有效地提高飞秒激光对生物组织的烧蚀精度，有望被应用于人体组织的精密切割手术等医学领域。