モード同期
周波数間隔Δνで同期されたN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NΔνであり、この帯域幅が広いほど、発せられるパルス長(英語版)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Δtの下限は次の式で与えられる。
Δ t = 0.441 N Δ ν {\displaystyle \Delta t={\frac {0.441}{N\,\Delta \nu }}}
0.441という値は、パルスの「時間帯域幅積(英語版)」と呼ばれる無次元量で、パルスの形状により異なる。超短パルスレーザーの場合、双曲線正割二乗関数形(sech)パルスがしばしば想定され、この場合時間帯域幅積は0.315となる。
この式を用いると、レーザースペクトル幅の測定値から対応する最短パルス長を計算できる。帯域幅1.5 GHzのHeNeレーザーの場合、対応するガウス関数型パルスの最短パルス長はおよそ300 psとなる。帯域幅128 THzのTi:サファイアーザーに対応するパルス長ははわずか3.4 fsとなる。これらの値は、所与の帯域幅に対応する理論上可能な最短パルス長であり、実際のモード同期レーザーでは、パルス長はパルス形状や共振器全体の分散など、多くの要因に依存する。
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。
実際には、多くの設計上の留意点がモードロックレーザーの性能に影響する。最も重要なのは、レーザーの光共振器全体としての分散であり、プリズムコンプレッサーやいくつかの分散ミラーを共振器内に設置することにより制御することができる。また、光学的非線形性も同様に重要である。レーザー共振器の正味群遅延分散(英語版)(GDD)が大きすぎる場合、共振器モードの位相を広い帯域幅にわたって同期することが不可能になり、特に短いパルスを得ることが難しくなる。負の正味GDD(異常GDD)と非線形カー効果を適切に組み合わせると、ソリトンのような相互作用によりモード同期が安定するため、より短いパルスの生成に利用できる。限界短パルスレーザーを得る場合、ゼロ分散構成(非線形性のない構成)もしくはわずかに負の(異常)分散によるソリトン機構を利用する構成のいずれかの構成が用いられることが多い。
短パルス光を直接生成する構成のレーザーでパルス長が最短級のものは、一般的にカーレンズモード同期機構を用いたTi:サファイアレーザーであり、そのパルス長はおよそ5 fs程度である。