laserens forstærkningsmedium, som foreslået af dets navn, er en blanding af helium-og neongasser i ca.et 5:1-forhold indeholdt ved lavt tryk i en glashylster. Gasblandingen er for det meste helium, så heliumatomer kan ophidses. De ophidsede heliumatomer kolliderer med neonatomer og spænder nogle af dem til den tilstand, der udstråler 632,8 nm. Uden helium ville neonatomerne for det meste være begejstrede for at sænke ophidsede tilstande, der er ansvarlige for ikke-laserlinjer.
en neonlaser uden helium kan konstrueres, men det er meget vanskeligere uden dette middel til energikobling. Derfor vil en he-Ne-laser, der har mistet nok af sin helium (f.eks. på grund af diffusion gennem tætningerne eller glasset) miste sin laserfunktionalitet, fordi pumpeeffektiviteten vil være for lav. Laserens energi eller pumpekilde leveres af en højspændings elektrisk udladning, der føres gennem gassen mellem elektroder (anode og katode) i røret. Der kræves typisk en jævnstrøm på 3 til 20 mA til drift. Laserens optiske hulrum består normalt af to konkave spejle eller et plan og et konkavt spejl: et med meget høj (typisk 99,9%) reflektans, og udgangskoblingsspejlet tillader cirka 1% transmission.
Kommercielle he-Ne-lasere er relativt små enheder, blandt gaslasere, der har hulrumslængder, der normalt spænder fra 15 til 50 cm (men nogle gange op til ca.1 opnå de højeste kræfter) og optiske udgangseffektniveauer fra 0,5 til 50 Mvh.
den røde he-Ne laserbølgelængde på 633 nm har en faktisk vakuumbølgelængde på 632.991 nm eller omkring 632.816 nm i luft. Bølgelængderne af de stimulerede emissionstilstande ligger inden for omkring 0.001 nm Over eller under denne værdi, og bølgelængderne af disse tilstande skifter inden for dette interval på grund af termisk ekspansion og sammentrækning af hulrummet. Frekvensstabiliserede versioner gør det muligt at specificere bølgelængden af en enkelt tilstand inden for 1 del i 108 ved hjælp af teknikken til at sammenligne kræfterne i to langsgående tilstande i modsatte polarisationer. Absolut stabilisering af laserens frekvens (eller bølgelængde) så fin som 2,5 dele i 1011 kan opnås ved anvendelse af en jodabsorptionscelle.
mekanismen, der producerer populationsinversion og lysforstærkning i et he-Ne laserplasma, stammer fra uelastisk kollision af energiske elektroner med jord-tilstandsheliumatomer i en He-Ne-laser gasblandingen. Som vist i det ledsagende energiniveaudiagram ophidser disse kollisioner heliumatomer fra jordtilstanden til højere energispændte tilstande, blandt dem 23S1 og 21s0 (ls eller Russell–Saunders kobling, front nummer 2 indikerer, at en ophidset elektron er n = 2 tilstand) er langlivede metastabile tilstande. På grund af en tilfældig næsten tilfældighed mellem energiniveauerne i de to he metastabile tilstande og 5S2 og 4S2 ( Paschen notation) niveauer af neon, kollisioner mellem disse helium metastabile atomer og jordtilstand neonatomer resulterer i en selektiv og effektiv overførsel af eksitationsenergi fra helium til neon. Denne eksitationsenergioverførselsproces er givet ved reaktionsligningerne
He*(23s1) + Ne1S0-he(1S0) + Ne*4S2 + – he, He*(21s) + Ne1S0 + – he-he(1S0) + – Ne*5s2,
hvor * repræsenterer en ophidset tilstand, og He er den lille energiforskel mellem energitilstandene for de to atomer i størrelsesordenen 0,05 eV eller 387 cm-1, som leveres af kinetisk energi. Spænding-energioverførsel øger populationen af neon 4S2 og 5S2 niveauer mange gange. Når befolkningen på disse to øverste niveauer overstiger befolkningen på det tilsvarende lavere niveau, 3p4, som de er optisk forbundet med, er befolkningsinversion til stede. Mediet bliver i stand til at forstærke lys i et smalt bånd ved 1,15 liter (svarende til 4S2 til 3P4-overgangen) og i et smalt bånd ved 632,8 nm (svarende til 5S2 til 3P4-overgangen). 3P4-niveauet tømmes effektivt ved hurtigt strålingsfald til 3s-tilstanden og når til sidst jordtilstanden.
det resterende trin i at bruge optisk forstærkning til at skabe en optisk oscillator er at placere stærkt reflekterende spejle i hver ende af forstærkningsmediet, så en bølge i en bestemt rumlig tilstand reflekterer tilbage på sig selv og får mere strøm i hver passage, end der går tabt på grund af transmission gennem spejle og diffraktion. Når disse betingelser er opfyldt for en eller flere langsgående tilstande, vil stråling i disse tilstande hurtigt opbygges, indtil forstærkningsmætning opstår, hvilket resulterer i en stabil kontinuerlig laserstråleudgang gennem det forreste (typisk 99% reflekterende) spejl.
forstærkningsbåndbredden for HE-Ne-laseren domineres af Doppler-udvidelse snarere end trykudvidelse på grund af det lave gastryk og er således ret snæver: kun ca.1,5 GS fuld bredde til 633 nm-overgangen. Med hulrum med typiske længder på 15 til 50 cm tillader dette omkring 2 til 8 langsgående tilstande at svinge samtidigt (dog er enheder med en langsgående tilstand tilgængelige til specielle applikationer). Den synlige output fra den røde he-Ne-laser, lang kohærenslængde og dens fremragende rumlige kvalitet gør denne laser til en nyttig kilde til holografi og som en bølgelængdereference til spektroskopi. En stabiliseret he-Ne-laser er også et af benchmarksystemerne til definitionen af måleren.
forud for opfindelsen af billige, rigelige diodelasere blev røde he-Ne-lasere i vid udstrækning brugt i stregkodescannere ved supermarkedskassetællere. Lasergyroskoper har anvendt He-Ne-lasere, der opererer ved 633 nm i en ringlaserkonfiguration. He-Ne lasere er generelt til stede i uddannelses-og forskningsoptiske laboratorier.