各パルス光の持続時間は、同相で振動するモードの数によって決まる（実際のレーザーでは、すべてのレーザーモードが位相同期されているとは限らない）。周波数間隔で同期された個のモードがある場合、モード同期された全体的な帯域幅はであり、この帯域幅が広いほど、発せられるは短くなる。実際のパルス持続時間は各パルスの形状に依存し、各パルスの形状は、各縦モードの振幅と位相の関係によって決定まる。例えば、時間的にガウス関数形のパルスを発するレーザーの場合、パルス長の下限は次の式で与えられる。
モード同期レーザーに後処理をほどこすことによりパルス長をさらに短くすることも原理上可能である。ただし、スペクトル幅は呼応して増加する。
位相同期およびモード同期の原理.
ここで、は隣接する共鳴周波数との差、はフィネス、は鏡の反射率である。この式から明らかなように、共振器の線幅を細くするためにはフィネスの高い共振器が必要となる。したがって、レーザーの線幅を最低限に抑えるためには、鏡の反射率を高める必要がある。
モード同期手法.
レーザーモードの同期方法は、「能動モード同期」手法と「受動モード同期」手法に分けられる。能動的手法では通常、外部信号により共振器内の光を変調する。受動的手法では外部信号を用いず、光の自己変調を引き起こす何らかの要素を共振器内に配置することでモード同期を達成する。
能動モード同期手法.
上述の振幅変調(AM)方式に関連して、効果に基く変調器を用いた、周波数変調(FM)モード同期も能動モード同期手法の一つとして挙げられる。この変調器をレーザー共振器内に設置し、電気信号により駆動すると、変調器を通過する光は正弦波状に変化する小さな周波数シフトを受ける。変調周波数が共振器の往復時間と合致するとき、共振器内の一部の光は、繰り返し周波数上昇のみを受けることとなり、逆に一部の光は繰り返し周波数減少のみを受けることとなる。これを何度も繰り返すと、周波数上昇および減少を受ける光は最終的には利得帯域幅を外れ、周波数シフトがゼロのときに変調器を通過する光のみが共振器内に残存することとなり、短パルス光を形成する。
受動モード同期.