誘導放出を起こすスペクトルに幅があることから，その幅に入ってくるのは図3にあるように1つの縦モードではなく，複数のモードです。例えば，反射鏡の間隔が10 cmの共振器を持つNd:YAGレーザーの場合，隣り合う縦モードの間隔は1.5×109Hz（＝1.5 GHz）です。Nd:YAGレーザーのスペクトル幅の0.5 nmを周波数に換算すると1.3×1011Hz（＝130 GHz）ですので，誘導放出スペクトルの中には，約100本の縦モードが含まれていることになります。反射鏡の位置が温度などで変化すると，縦モードの周波数が変化することになり，その結果発振しているレーザー波長を細かく見ると，時々刻々変化していることになるのです。
現実的ではないかもしれませんが，もし共振器長を1 mmにすることができれば，発振スペクトルの中には1本の縦モードしか含まれないことになり，縦モードの周波数幅が通常は1 MHz（波長では～10–15m）程度ですので，極めて狭い波長範囲のレーザー光を作ることができることになります。
実際は，平行平面を持つガラス板による多重干渉を利用して，1本の縦モードでのみ発振させる方法が採用されている場合があり，このようなレーザーを単一モードレーザーとか，あるいはシングルモードレーザーと呼んでいます。が，多モード発振ないしはマルチモード発振が一般的です。
では，マルチモード発振で異なる周波数の光波が同時に発生すると，どうなるかについて考えてみましょう。例えば，周波数がf，2f，3fの3つの光波を考えます。これらの3つの波の初期位相（t=0における位相）が，互いに違っている，すなわち，図4にように出発点の位相がそろっていない場合について，3つの波を足し合わせたのが図4の一番下に描いてある合成光波です。この光波を見ると，一定のパターンをとることなく，時間的に大きく変動している様子がわかります。
次に，位相がそろった3つの周波数の異なる光波について考えます。先ほどと同じ，f，2f，3fの3つの異なる周波数の光波を足し合わせます。3つの光波の初期位相が同じ値を持っているとします。すなわち，図5に描いてあるように同じ位相点からスタートしているとします。足し合わせた合成光波をみますと，周期的に強い光が現れていることが分かります。
結論として，多数の縦モードが同時に発振している場合，位相がランダムであると，前の例にあるように強い光が現れることはありません。一方，位相がそろっていると，周期的に強い光が現れます。すなわち，多数の縦モードの位相をそろえることができれば，強い光をつくることができることになります。共振器内の縦モード間の位相関係が固定されている状態をモード同期状態と呼んでいます。
では，実際にどのようにしてモード同期発振をさせるのかについて見てみましょう。モード同期で現れる大きなピークに同期させてシャッターを開閉することによってモード同期発振が可能となります。すなわち，f＝c/2Lの周期で開閉できるスィッチを入れると，図6に描いてあるように反射鏡間を一定周期のモードのみを往復させることになり，その結果，周波数幅の狭いレーザー光が得られます。
モード同期発振を実現する方法として，音響光学素子を共振器内に挿入してスィッチとして使う方法や，過飽和吸収体を入れる方法などがあります。スペクトル幅のレーザーを使ってモード同期発振をさせることで，非常に短い時間しか発光していない，超短パルスが手軽に得られることになります。例えば，100 nm以上の極めて広いスペクトル幅を持つチタンサファイアレーザーのモード同期発振によって10フェムト秒（10 fs＝10×10–15s）以下の短パルスが得られています。
