飞秒时间量级已经超出了电子响应速度的极限，因此不可能用快速响应的电子仪器直接测量飞秒脉冲的时域特性。飞秒脉冲的特性主要是强度和相位随时间的变化规律。
飞秒脉冲的时域测量
根据光速 c=3*10¬8 m/s可知，1fs的脉冲空间持续长度为0.3微米，这个距离可以通过精密的位移平台扫描而分辨，因此可以将测量超短脉冲的时间宽度转变为空间长度而测量。最常用的方法是自相关法，这就是把入射光分为两束，让其中一束光通过一个延迟线，然后再把这两束光合并，通过一块倍频晶体，或双光子吸收/发光介质，获得于光强平方成正比的信号，改变延迟可得到一系列这样的信号，这个信号的强度对延迟的函数即为脉冲的自相关信号，自相关法分为强度自相关和条纹分辨的自相关。强度自相关法又分为有背景和无背景的自相关法。
线性自相关
自相关可用如图所示的迈克尔逊干涉仪实现，入射被分束板分为强度相等的两束光，再在分束板上合束，在同方向共线传播的情况下，一束光对另一束光扫描时，在接收器上可现实干涉信号，由于接收器的响应对于光频是缓慢的，得到的信号只是一个平均值，只和时间的慢变部分有关：设两束光的场强分别为A1和A2，
这是电场线性自相关信号，第一项是常数，对应脉冲的能量，第二项是干涉项，这个信号的傅里叶变换恰恰是脉冲的光谱，这正是傅里叶变换光谱的原理，不反映脉冲的时域宽度。
非线性自相关
如果引入一个快门，或者用脉冲自己的非线性效应作为一个时间开关，即在探测器前加一个非线性介质，如倍频晶体，因为倍频信号的强度与基频光的光强的平方成正比。
自相关波形的半高宽（FWHM）与脉冲宽度的比值为：1.414，这个比值也称为反卷积因子，对不同的脉冲波形，这个因子不同，如双曲正割型脉冲强度自相关波形的半高宽与脉冲宽度的比值为1.543。
强度自相关图形只能得到脉冲波形的自相关宽度信息，如果脉冲波未知，相位不是常数的情况，难以从强度相关获得脉冲的波形和相位信息。
而条纹分辨的自相关可以揭示脉冲中相位的信息，但是这个信息仍然不是唯一的，不同的波形和不同的相位仍然可以给出系统的条纹相关图形，说明一维的时间相关不能给出脉冲的全部信息，对于非常宽的脉冲光谱往往非常不规则，仅仅从脉冲自相关波形不能判断脉冲的宽度，需要从测量的脉冲光谱乘以测得的相位函数做傅里叶变换，得到脉冲的时域形式，从而计算出脉冲的宽度。
三阶非线性非对称脉冲的测量
无论脉冲的形状如何，二阶自相关只能测量出对称的曲线，利用三阶非线性效应可以测量脉冲的非对称形状，三阶非线性自相关采用非平衡的干涉仪获得脉冲的三阶自相关曲线，可以利用衰减器或具有不同反射比的分光片改变干涉仪一臂的光强。
三阶相关的光路与二阶相关基本相同，区别只是分束的两路光强不等，如图为光强衰减系数为0.04的三阶相关和二阶相关的测量曲线：
从图中可以看出二阶自相关测量的结果是对称的，不能区分出脉冲的对称性，而三阶自相关得到了非对称的相关曲线，可以清楚地判别出脉冲的非对称性。
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