Le système, constitué du milieu actif inséré dans la cavité résonante, se comporte comme un oscillateur auto-entretenu. On peut le modéliser comme un amplificateur bouclé par un résonateur ( réaction positive), l’énergie de l’amplification est apportée par le dispositif de pompage.

Soit G(n) le gain du milieu amplificateur en amplitude (pour un aller et retour). La courbe représentant le gain G(n) pour une onde incidente monochromatique de fréquence n a la forme et la largeur de la raie d’émission spontanée, est proportionnelle à l’inversion de population (N2-N1). On peut y marquer les positions des modes propres de la cavité Pérot-Fabry

En notant respectivement les signaux d’entrée et de sortie e et s , le gain de l’amplificateur G(n) est défini par : s = G(n).e .

Le coefficient de réflexion pour l’intensité de chacun des deux miroirs (supposés identiques pour simplifier) étant noté r , si on prélève une fraction r du signal de sortie s et si on l’ajoute à l’entrée imposée e0 , l’entrée effective devient e = e0 + r.s , on a alors s = G(n).(e0 + r.s) d’où on tire: s=G(n) .e0 /(1-r.G(n)). Le gain devient alors G'(n) = G(n)/(1-r.G(n))). r étant >0 , on a alors G’>G: on a réalisé une boucle de réaction positive.

Dès que le produit r.G(n) atteint la valeur 1, le signal de sortie devient infini, même si aucun signal n’est injecté à l’entrée :une fluctuation infinitésimale est amplifiée et le système oscille : c’est l’"accrochage ".
La condition d’existence d’une oscillation non nulle est donc donnée par : r.G(n) =1 ce qui revient à dire que, à la (ou aux) fréquence(s) d’oscillation , le gain de l’amplificateur compense les pertes du résonateur ( par réflexion partielle, diffraction ou absorption).
Les oscillations entretenues correspondent donc aux fréquences propres de la cavité pour lesquelles r.G(n) est au moins égal à 1 (seuil d’oscillation).
Si plusieurs modes de la cavité vérifient cette condition, l’oscillation est multimode, le laser fonctionne alors aléatoirement sur un mode ou sur l’autre.
Comme dans tout amplificateur, l’amplitude des oscillations est évidemment limitée par un phénomène de saturation: lorsque le laser émet, l’émission induite provoque une diminution de la population du niveau supérieur E₂ , ce qui limite le gain .

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