El medio de ganancia del láser, como sugiere su nombre, es una mezcla de helio y gases de neón, en una proporción de aproximadamente 5:1, contenida a baja presión en una envoltura de vidrio. La mezcla de gases es principalmente helio, por lo que los átomos de helio se pueden excitar. Los átomos de helio excitados chocan con átomos de neón, excitando a algunos de ellos al estado que irradia 632,8 nm. Sin helio, los átomos de neón se excitarían principalmente a estados de excitación más bajos, responsables de líneas no láser.
Se puede construir un láser de neón sin helio, pero es mucho más difícil sin este medio de acoplamiento de energía. Por lo tanto, un láser He-Ne que ha perdido suficiente helio (por ejemplo, debido a la difusión a través de los sellos o el vidrio) perderá su funcionalidad láser porque la eficiencia de bombeo será demasiado baja. La fuente de energía o bomba del láser es proporcionada por una descarga eléctrica de alto voltaje que pasa a través del gas entre los electrodos (ánodo y cátodo) dentro del tubo. Normalmente se requiere una corriente CONTINUA de 3 a 20 mA para el funcionamiento en onda continua. La cavidad óptica del láser generalmente consiste en dos espejos cóncavos o un espejo plano y un espejo cóncavo: uno que tiene una reflectancia muy alta (típicamente 99,9%), y el espejo del acoplador de salida que permite aproximadamente un 1% de transmisión.
Los láseres He-Ne comerciales son dispositivos relativamente pequeños, entre láseres de gas, que tienen longitudes de cavidad que generalmente van de 15 a 50 cm (pero a veces hasta 1 metro para alcanzar las potencias más altas), y niveles de potencia de salida óptica que van de 0,5 a 50 mW.
La longitud de onda del láser rojo He-Ne de 633 nm tiene una longitud de onda de vacío real de 632.991 nm, o aproximadamente 632.816 nm en el aire. Las longitudes de onda de los modos de emisión estimulados se encuentran dentro de aproximadamente 0.001 nm por encima o por debajo de este valor, y las longitudes de onda de esos modos cambian dentro de este rango debido a la expansión térmica y la contracción de la cavidad. Las versiones estabilizadas en frecuencia permiten especificar la longitud de onda de un solo modo dentro de 1 parte en 108 mediante la técnica de comparar las potencias de dos modos longitudinales en polarizaciones opuestas. La estabilización absoluta de la frecuencia (o longitud de onda) del láser de hasta 2,5 partes en 1011 se puede obtener mediante el uso de una célula de absorción de yodo.
El mecanismo que produce la inversión de población y la amplificación de la luz en un plasma láser He-Ne se origina con una colisión inelástica de electrones energéticos con átomos de helio en estado terrestre en la mezcla de gas. Como se muestra en el diagrama de nivel de energía que lo acompaña, estas colisiones excitan átomos de helio desde el estado fundamental a estados excitados de energía más alta, entre ellos los 23S1 y 21S0 (LS, o acoplamiento Russell–Saunders, el número frontal 2 indica que un electrón excitado es un estado n = 2) son estados metaestables de larga vida. Debido a una casi coincidencia fortuita entre los niveles de energía de los dos estados metaestables He y los niveles de neón 5s2 y 4s2 ( notación Paschen), las colisiones entre estos átomos metaestables de helio y átomos de neón de estado fundamental resultan en una transferencia selectiva y eficiente de energía de excitación del helio al neón. Este proceso de transferencia de energía de excitación viene dado por las ecuaciones de reacción
He*(23S1) + Ne1S0 → He(1S0) + Ne*4s2 + ΔE, He*(21S) + Ne1S0 + ΔE → He(1S0) + Ne*5s2,
donde * representa un estado excitado, y ΔE es la pequeña diferencia de energía entre los estados de energía de los dos átomos, del orden de 0,05 eV, o 387 cm−1, que energía. Excitación: la transferencia de energía aumenta la población de los niveles de neón 4s2 y 5s2 muchas veces. Cuando la población de estos dos niveles superiores excede la del nivel inferior correspondiente, 3p4, al que están conectados ópticamente, está presente la inversión de la población. El medio se vuelve capaz de amplificar la luz en una banda estrecha a 1,15 µm (correspondiente a la transición de 4s2 a 3p4) y en una banda estrecha a 632,8 nm (correspondiente a la transición de 5s2 a 3p4). El nivel 3p4 se vacía de manera eficiente mediante una rápida desintegración radiativa al estado 3s, llegando finalmente al estado fundamental.
El paso restante en la utilización de la amplificación óptica para crear un oscilador óptico es colocar espejos altamente reflectantes en cada extremo del medio de amplificación para que una onda en un modo espacial particular se refleje sobre sí misma, ganando más potencia en cada pasada de la que se pierde debido a la transmisión a través de los espejos y la difracción. Cuando se cumplen estas condiciones para uno o más modos longitudinales, la radiación en esos modos se acumulará rápidamente hasta que se produzca la saturación de ganancia, lo que resulta en una salida de haz láser continuo estable a través del espejo frontal (típicamente 99% reflectante).
El ancho de banda de ganancia del láser He-Ne está dominado por el ensanchamiento Doppler en lugar del ensanchamiento de presión debido a la baja presión de gas y, por lo tanto, es bastante estrecho: solo alrededor de 1,5 GHz de ancho completo para la transición de 633 nm. Con cavidades con longitudes típicas de 15 a 50 cm, esto permite que entre 2 y 8 modos longitudinales oscilen simultáneamente (sin embargo, hay unidades de modo longitudinal único disponibles para aplicaciones especiales). La salida visible del láser He-Ne rojo, su larga longitud de coherencia y su excelente calidad espacial, hacen de este láser una fuente útil para la holografía y como referencia de longitud de onda para la espectroscopia. Un láser He-Ne estabilizado es también uno de los sistemas de referencia para la definición del medidor.
Antes de la invención de los láseres de diodos abundantes y baratos, los láseres He-Ne rojos se usaban ampliamente en escáneres de códigos de barras en los mostradores de pago de supermercados. Los giroscopios láser han empleado láseres He-Ne que funcionan a 633 nm en una configuración de láser de anillo. Los láseres He-Ne generalmente están presentes en laboratorios ópticos educativos y de investigación.