Il mezzo di guadagno del laser, come suggerisce il nome, è una miscela di gas elio e neon, in circa un rapporto 5:1, contenuta a bassa pressione in un involucro di vetro. La miscela di gas è principalmente elio, in modo che gli atomi di elio possono essere eccitati. Gli atomi di elio eccitati si scontrano con atomi di neon, eccitando alcuni di loro allo stato che irradia 632,8 nm. Senza elio, gli atomi di neon sarebbero eccitati per lo più per abbassare gli stati eccitati, responsabili delle linee non laser.
Un laser al neon senza elio può essere costruito, ma è molto più difficile senza questo mezzo di accoppiamento energetico. Pertanto, un laser He-Ne che ha perso abbastanza del suo elio (ad esempio, a causa della diffusione attraverso le guarnizioni o il vetro) perderà la sua funzionalità laser perché l’efficienza di pompaggio sarà troppo bassa. La fonte di energia o pompa del laser è fornita da una scarica elettrica ad alta tensione passata attraverso il gas tra elettrodi (anodo e catodo) all’interno del tubo. Una corrente CONTINUA da 3 a 20 mA è tipicamente necessaria per il funzionamento in CW. La cavità ottica del laser consiste solitamente di due specchi concavi o di un piano e di uno specchio concavo: uno che ha riflettanza molto alta (tipicamente 99,9%) e lo specchio dell’accoppiatore dell’uscita che permette la trasmissione di circa 1%.
Commerciale He-Ne laser sono relativamente piccoli dispositivi, tra i laser a gas, avendo cavità lunghezze di solito vanno da 15 a 50 cm (ma a volte fino a circa 1 metro per raggiungere i più alti poteri), e uscita ottica livelli di potenza che vanno da 0,5 a 50 mW.
La lunghezza d’onda rossa del laser di He-Ne di 633 nanometro ha una lunghezza d’onda reale di vuoto di 632,991 nanometro, o circa 632,816 nanometro in aria. Le lunghezze d’onda delle modalità di emissione stimolate si trovano all’interno di circa 0.001 nm sopra o sotto questo valore e le lunghezze d’onda di tali modalità si spostano all’interno di questo intervallo a causa dell’espansione termica e della contrazione della cavità. Le versioni stabilizzate in frequenza consentono di specificare la lunghezza d’onda di un singolo modo entro 1 parte su 108 mediante la tecnica di confrontare le potenze di due modi longitudinali in polarizzazioni opposte. Stabilizzazione assoluta della frequenza del laser (o lunghezza d’onda) fino a 2,5 parti in 1011 può essere ottenuto attraverso l’uso di una cellula di assorbimento di iodio.
Il meccanismo che produce inversione di popolazione e amplificazione della luce in un plasma laser He-Ne ha origine con collisione anelastica di elettroni energetici con atomi la miscela di gas. Come mostrato nel diagramma del livello di energia che accompagna, queste collisioni eccitano gli atomi di elio dallo stato fondamentale agli stati eccitati ad energia superiore, tra cui 23S1 e 21S0 (LS, o accoppiamento Russell–Saunders, numero anteriore 2 indica che un elettrone eccitato è stato n = 2) sono stati metastabili a lunga durata. A causa di una fortuita quasi coincidenza tra i livelli di energia dei due stati metastabili He e i livelli 5s2 e 4s2 ( notazione di Paschen) del neon, le collisioni tra questi atomi metastabili dell’elio e gli atomi di neon dello stato fondamentale determinano un trasferimento selettivo ed efficiente dell’energia di eccitazione dall’elio al neon. Questo trasferimento di energia di eccitazione del processo è dato dalla reazione equazioni
Egli*(23S1) + Ne1S0 → Egli(1S0) + Ne*4s2 + ∆, Egli*(21) + Ne1S0 + ∆ → Egli(1S0) + Ne*5s2,
dove * rappresenta uno stato eccitato, e ∆ E è la piccola differenza di energia tra gli stati energetici di due atomi dell’ordine di 0,05 eV o 387 cm−1, che è alimentato da energia cinetica. Eccitazione-trasferimento di energia aumenta la popolazione dei livelli di neon 4s2 e 5s2 molte volte. Quando la popolazione di questi due livelli superiori supera quella del corrispondente livello inferiore, 3p4, a cui sono collegati otticamente, è presente l’inversione della popolazione. Il mezzo diventa in grado di amplificare la luce in una banda stretta a 1,15 µm (corrispondente alla transizione da 4s2 a 3p4) e in una banda stretta a 632,8 nm (corrispondente alla transizione da 5s2 a 3p4). Il livello 3p4 viene svuotato in modo efficiente dal decadimento radiativo veloce allo stato 3s, raggiungendo infine lo stato fondamentale.
Il passo rimanente nell’utilizzare l’amplificazione ottica per creare un oscillatore ottico è quello di posizionare specchi altamente riflettenti a ciascuna estremità del mezzo di amplificazione in modo che un’onda in una particolare modalità spaziale rifletta su se stessa, guadagnando più potenza in ogni passaggio di quella persa a causa della trasmissione attraverso gli specchi e la diffrazione. Quando queste condizioni sono soddisfatte per una o più modalità longitudinali, la radiazione in tali modalità si accumula rapidamente fino a quando si verifica la saturazione del guadagno, con conseguente uscita stabile del raggio laser continuo attraverso lo specchio frontale (tipicamente riflettente al 99%).
La larghezza di banda di guadagno del laser He-Ne è dominata dall’allargamento Doppler piuttosto che dall’allargamento della pressione a causa della bassa pressione del gas ed è quindi piuttosto stretta: solo circa 1,5 GHz a tutta larghezza per la transizione a 633 nm. Con cavità con lunghezze tipiche da 15 a 50 cm, ciò consente di oscillare simultaneamente da 2 a 8 modi longitudinali (tuttavia, sono disponibili unità monomodali longitudinali per applicazioni speciali). L’uscita visibile del laser rosso He-Ne, la lunga lunghezza di coerenza e la sua eccellente qualità spaziale, rendono questo laser una fonte utile per l’olografia e come riferimento di lunghezza d’onda per la spettroscopia. Un laser He-Ne stabilizzato è anche uno dei sistemi di riferimento per la definizione del misuratore.
Prima dell’invenzione dei laser a diodi economici e abbondanti, i laser rossi He-Ne erano ampiamente utilizzati negli scanner di codici a barre alle casse dei supermercati. I giroscopi laser hanno impiegato laser He-Ne che operano a 633 nm in una configurazione laser ad anello. I laser He-Ne sono generalmente presenti nei laboratori ottici educativi e di ricerca.