飛秒激光器為了能產生激光，就必須使受激輻射強度超過受激吸收強度，即使高能態的原子數多于低能態的原子數。這種不同于平衡態粒子分布的狀態稱為粒子數反轉分布。也就是，飛秒激光器要產生激光，必須實現粒子數反轉分布。
粒子數反轉分布是產生激光的一個必要條件，而要實現粒子數反轉分布和產生激光還必須滿足三個條件：
①要有能形成粒子數反轉分布的物質，即激活介質(這類物質具有合適的能級結構)；
②要有必要的能量輸入系統給激活介質能量，使盡可能多的原子吸收能量后躍遷到高能態以實現粒子數反轉，這一系統稱作激勵能源(或泵浦源)；
③要有光的正反饋系統——光學諧振腔，當一定頻率的光輻射通過粒子數反轉分布的激活介質時，受激輻射的光子數多于受激吸收的光子數可使光輻射得到放大，要使這種光放大并且以一個副長光子感應產生一個受激發射光子的單次過程為主，還能形成高單色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必須使用光學諧振腔。
因此，常用飛秒激光器由三部分組成：激活介質、激勵能源、光學諧振腔。