Das Verstärkungsmedium des Lasers ist, wie der Name schon sagt, eine Mischung aus Helium und Neongasen im Verhältnis von ungefähr 5: 1, die bei niedrigem Druck in einer Glashülle enthalten sind. Das Gasgemisch ist meist Helium, so dass Heliumatome angeregt werden können. Die angeregten Heliumatome kollidieren mit Neonatomen und erregen einige von ihnen in den Zustand, der 632,8 nm ausstrahlt. Ohne Helium würden die Neonatome hauptsächlich zu niedrigeren angeregten Zuständen angeregt, die für Nicht-Laserlinien verantwortlich sind.
Ein Neonlaser ohne Helium kann konstruiert werden, aber ohne dieses Mittel der Energiekopplung ist es viel schwieriger. Daher verliert ein He-Ne-Laser, der genug von seinem Helium verloren hat (z. B. durch Diffusion durch die Dichtungen oder das Glas), seine Laserfunktionalität, weil der Pumpwirkungsgrad zu niedrig ist. Die Energie- oder Pumpquelle des Lasers wird durch eine elektrische Hochspannungsentladung bereitgestellt, die durch das Gas zwischen Elektroden (Anode und Kathode) innerhalb der Röhre geleitet wird. Für den CW-Betrieb wird typischerweise ein Gleichstrom von 3 bis 20 mA benötigt. Der optische Hohlraum des Lasers besteht normalerweise aus zwei Hohlspiegeln oder einem ebenen und einem Hohlspiegel: einer mit sehr hohem Reflexionsvermögen (typischerweise 99,9%) und der Auskoppelspiegel, der eine Transmission von ungefähr 1% ermöglicht.
Kommerzielle He-Ne-Laser sind relativ kleine Geräte unter Gaslasern mit Hohlraumlängen von normalerweise 15 bis 50 cm (manchmal aber bis zu etwa 1 Meter, um die höchsten Leistungen zu erzielen) und optischer Ausgangsleistung pegel von 0,5 bis 50 mW.Die rote He-Ne-Laserwellenlänge von 633 nm hat eine tatsächliche Vakuumwellenlänge von 632,991 nm oder etwa 632,816 nm in Luft. Die Wellenlängen der stimulierten Emissionsmoden liegen innerhalb von etwa 0.001 nm über oder unter diesem Wert, und die Wellenlängen dieser Moden verschieben sich innerhalb dieses Bereichs aufgrund der thermischen Ausdehnung und Kontraktion des Hohlraums. Frequenzstabilisierte Versionen ermöglichen es, die Wellenlänge einer einzelnen Mode auf 1 Teil in 108 zu spezifizieren, indem die Potenzen zweier longitudinaler Moden in entgegengesetzten Polarisationen verglichen werden. Eine absolute Stabilisierung der Laserfrequenz (oder Wellenlänge) von bis zu 2,5 Teilen in 1011 kann durch Verwendung einer Jodabsorptionszelle erreicht werden.
Der Mechanismus, der eine Populationsinversion und Lichtverstärkung in einem He-Ne-Laserplasma erzeugt, entsteht durch eine unelastische Kollision energiereicher Elektronen mit Heliumatomen im Grundzustand im Gasgemisch. Wie im beigefügten Energieniveaudiagramm gezeigt, regen diese Kollisionen Heliumatome vom Grundzustand zu angeregten Zuständen höherer Energie an, darunter die 23S1 und 21S0 (LS oder Russell–Saunders-Kopplung, vordere Zahl 2 zeigt an, dass ein angeregtes Elektron ist n = 2 Zustand) sind langlebige metastabile Zustände. Aufgrund einer zufälligen Beinahe-Koinzidenz zwischen den Energieniveaus der beiden He-metastabilen Zustände und den 5s2- und 4s2-(Paschen-Notation) -Niveaus von Neon führen Kollisionen zwischen diesen Helium-metastabilen Atomen und Grundzustand-Neonatomen zu einer selektiven und effizienten Übertragung von Anregungsenergie vom Helium auf Neon. Dieser Anregungsenergietransferprozess ist durch die Reaktionsgleichungen
He*(23S1) + Ne1S0 → He(1S0) + Ne*4s2 + ΔE, He*(21S) + Ne1S0 + ΔE → He(1S0) + Ne*5s2 gegeben, wobei * einen angeregten Zustand darstellt und ΔE die kleine Energiedifferenz zwischen den Energiezuständen der beiden Atome in der Größenordnung von 0,05 eV oder 387 cm−1 ist, die durch kinetische Energie geliefert wird. Anregung-Energieübertragung erhöht die Population der Neon 4s2 und 5s2 Ebenen viele Male. Wenn die Population dieser beiden oberen Ebenen die der entsprechenden unteren Ebene 3p4 überschreitet, mit der sie optisch verbunden sind, liegt eine Populationsinversion vor. Das Medium wird in der Lage, Licht in einem schmalen Band bei 1,15 µm (entsprechend dem Übergang von 4s2 zu 3p4) und in einem schmalen Band bei 632,8 nm (entsprechend dem Übergang von 5s2 zu 3p4) zu verstärken. Der 3p4-Pegel wird durch schnellen Strahlungszerfall effizient in den 3s-Zustand entleert und erreicht schließlich den Grundzustand.Der verbleibende Schritt bei der Verwendung der optischen Verstärkung zur Erzeugung eines optischen Oszillators besteht darin, hochreflektierende Spiegel an jedem Ende des verstärkenden Mediums zu platzieren, so dass eine Welle in einem bestimmten räumlichen Modus auf sich selbst zurückreflektiert und in jedem Durchgang mehr Leistung gewinnt als verloren geht aufgrund der Übertragung durch die Spiegel und Beugung. Wenn diese Bedingungen für eine oder mehrere longitudinale Moden erfüllt sind, baut sich die Strahlung in diesen Moden schnell auf, bis eine Verstärkungssättigung auftritt, was zu einer stabilen kontinuierlichen Laserstrahlausgabe durch den vorderen (typischerweise zu 99% reflektierenden) Spiegel führt.
Die Verstärkungsbandbreite des He-Ne-Lasers wird aufgrund des niedrigen Gasdrucks eher durch Dopplerverbreiterung als durch Druckverbreiterung dominiert und ist daher recht schmal: nur etwa 1,5 GHz volle Breite für den 633 nm Übergang. Bei Hohlräumen mit typischen Längen von 15 bis 50 cm können dadurch etwa 2 bis 8 Longitudinalmoden gleichzeitig schwingen (für spezielle Anwendungen stehen jedoch Single-Longitudinalmodeneinheiten zur Verfügung). Die sichtbare Leistung des roten He-Ne-Lasers, die lange Kohärenzlänge und seine hervorragende räumliche Qualität machen diesen Laser zu einer nützlichen Quelle für die Holographie und als Wellenlängenreferenz für die Spektroskopie. Ein stabilisierter He-Ne-Laser ist auch eines der Benchmark-Systeme für die Definition des Messgeräts.
Vor der Erfindung billiger, reichlich vorhandener Diodenlaser wurden rote He-Ne-Laser häufig in Barcodescannern an Supermarktkassen eingesetzt. Laser-Gyroskope haben He-Ne-Laser eingesetzt, die bei 633 nm in einer Ringlaserkonfiguration arbeiten. He-Ne-Laser sind im Allgemeinen in optischen Bildungs- und Forschungslabors vorhanden.