Le milieu de gain du laser, comme son nom l’indique, est un mélange d’hélium et de gaz néon, dans un rapport d’environ 5:1, contenu à basse pression dans une enveloppe de verre. Le mélange gazeux est principalement de l’hélium, de sorte que les atomes d’hélium peuvent être excités. Les atomes d’hélium excités entrent en collision avec des atomes de néon, excitant certains d’entre eux à l’état qui rayonne à 632,8 nm. Sans hélium, les atomes de néon seraient excités principalement pour abaisser les états excités, responsables de lignes non laser.
Un laser néon sans hélium peut être construit, mais c’est beaucoup plus difficile sans ce moyen de couplage énergétique. Par conséquent, un laser He-Ne qui a perdu suffisamment de son hélium (par exemple, en raison de la diffusion à travers les joints ou le verre) perdra sa fonctionnalité laser car l’efficacité de pompage sera trop faible. La source d’énergie ou de pompe du laser est fournie par une décharge électrique haute tension traversant le gaz entre les électrodes (anode et cathode) à l’intérieur du tube. Un courant CONTINU de 3 à 20 mA est généralement requis pour le fonctionnement en CW. La cavité optique du laser est généralement constituée de deux miroirs concaves ou d’un miroir plan et d’un miroir concave : l’un ayant une réflectance très élevée (typiquement 99,9%), et le miroir de coupleur de sortie permettant une transmission d’environ 1%.
Les lasers He-Ne commerciaux sont des dispositifs relativement petits, parmi les lasers à gaz, ayant des longueurs de cavité allant généralement de 15 à 50 cm (mais parfois jusqu’à environ 1 compteur pour atteindre les puissances les plus élevées), et des niveaux de puissance de sortie optique allant de 0,5 à 50 mW.
La longueur d’onde du laser He-Ne rouge de 633 nm a une longueur d’onde réelle dans le vide de 632,991 nm, soit environ 632,816 nm dans l’air. Les longueurs d’onde des modes d’émission stimulés sont comprises entre 0 et environ.001 nm au-dessus ou en dessous de cette valeur, et les longueurs d’onde de ces modes se décalent dans cette plage en raison de la dilatation thermique et de la contraction de la cavité. Les versions stabilisées en fréquence permettent de spécifier la longueur d’onde d’un mode unique à 1 partie près sur 108 par la technique de comparaison des puissances de deux modes longitudinaux dans des polarisations opposées. Une stabilisation absolue de la fréquence (ou longueur d’onde) du laser aussi fine que 2,5 parties en 1011 peut être obtenue par l’utilisation d’une cellule d’absorption d’iode.
Le mécanisme produisant l’inversion de population et l’amplification de la lumière dans un plasma laser He-Ne provient d’une collision inélastique d’électrons énergétiques avec des atomes d’hélium à l’état fondamental dans le mélange gazeux. Comme le montre le diagramme de niveau d’énergie ci-joint, ces collisions excitent les atomes d’hélium de l’état fondamental vers des états excités d’énergie plus élevée, parmi lesquels les 23S1 et 21S0 (LS, ou couplage de Russell–Saunders, le numéro avant 2 indique qu’un électron excité est un état n = 2) sont des états métastables à longue durée de vie. En raison d’une quasi-coïncidence fortuite entre les niveaux d’énergie des deux états métastables He et les niveaux 5s2 et 4s2 (notation de Paschen) du néon, les collisions entre ces atomes métastables d’hélium et les atomes de néon à l’état fondamental entraînent un transfert sélectif et efficace de l’énergie d’excitation de l’hélium au néon. Ce processus de transfert d’énergie d’excitation est donné par les équations de réaction
He *(23S1) + Ne1S0 → He(1S0) + Ne*4s2 + ΔE, He *(21S) + Ne1S0 + ΔE → He(1S0) + Ne * 5s2,
où * représente un état excité, et ΔE est la petite différence d’énergie entre les états d’énergie des deux atomes, de l’ordre de 0,05 eV, soit 387 cm−1, qui est fournie par cinétique énergie. Le transfert d’énergie d’excitation augmente considérablement la population des niveaux néon 4s2 et 5s2. Lorsque la population de ces deux niveaux supérieurs dépasse celle du niveau inférieur correspondant, 3p4, auquel ils sont connectés optiquement, l’inversion de population est présente. Le milieu devient capable d’amplifier la lumière dans une bande étroite à 1,15 µm (correspondent à la transition 4s2 à 3p4) et dans une bande étroite à 632,8 nm (correspondent à la transition 5s2 à 3p4). Le niveau 3p4 est efficacement vidé par désintégration radiative rapide à l’état 3s, atteignant finalement l’état fondamental.
L’étape restante dans l’utilisation de l’amplification optique pour créer un oscillateur optique consiste à placer des miroirs hautement réfléchissants à chaque extrémité du milieu amplificateur de sorte qu’une onde dans un mode spatial particulier se réfléchisse sur elle-même, gagnant plus de puissance à chaque passage que ce qui est perdu en raison de la transmission à travers les miroirs et de la diffraction. Lorsque ces conditions sont remplies pour un ou plusieurs modes longitudinaux, le rayonnement dans ces modes s’accumulera rapidement jusqu’à ce que la saturation du gain se produise, ce qui donnera un faisceau laser continu stable à travers le miroir avant (généralement réfléchissant à 99%).
La largeur de bande de gain du laser He-Ne est dominée par l’élargissement Doppler plutôt que par l’élargissement de pression dû à la faible pression du gaz et est donc assez étroite: seulement environ 1,5 GHz de pleine largeur pour la transition de 633 nm. Avec des cavités ayant des longueurs typiques de 15 à 50 cm, cela permet à environ 2 à 8 modes longitudinaux d’osciller simultanément (cependant, des unités monomode longitudinales sont disponibles pour des applications spéciales). La sortie visible du laser He-Ne rouge, sa grande longueur de cohérence et son excellente qualité spatiale font de ce laser une source utile pour l’holographie et comme référence de longueur d’onde pour la spectroscopie. Un laser He-Ne stabilisé est également l’un des systèmes de référence pour la définition du compteur.
Avant l’invention des lasers à diode bon marché et abondants, les lasers He-Ne rouges étaient largement utilisés dans les scanners de codes-barres aux caisses des supermarchés. Les gyroscopes laser ont utilisé des lasers He-Ne fonctionnant à 633 nm dans une configuration laser en anneau. Les lasers He-Ne sont généralement présents dans les laboratoires d’optique d’enseignement et de recherche.