o meio de ganho do laser, como sugerido por seu nome, é uma mistura de gases de hélio e néon, em aproximadamente uma razão de 5:1, contido a baixa pressão em um envelope de vidro. A mistura de gás é principalmente hélio, de modo que os átomos de hélio podem ser excitados. Os átomos de hélio excitados colidem com átomos de néon, excitando alguns deles para o estado que irradia 632,8 nm. Sem o hélio, os átomos de néon seriam excitados principalmente para estados menos excitados, responsáveis por linhas não-laser.um laser de néon sem hélio pode ser construído, mas é muito mais difícil sem este meio de acoplamento de energia. Portanto, um laser He-Ne que perdeu bastante de seu hélio (por exemplo, devido à difusão através dos selos ou vidro) perderá sua funcionalidade de laser porque a eficiência de bombeamento será muito baixa. A fonte de energia ou de bomba do laser é fornecida por uma descarga eléctrica de alta tensão passada através do gás entre eléctrodos (ânodo e cátodo) no interior do tubo. Uma corrente de corrente contínua de 3 a 20 mA é tipicamente necessária para a operação de CW. A cavidade óptica do laser geralmente consiste em dois espelhos côncavos ou um plano e um espelho côncavo: um com refletância muito alta (normalmente 99,9%), e o espelho acoplador de saída permitindo uma transmissão de aproximadamente 1%.
Comercial de He-Ne lasers são relativamente pequenos dispositivos, entre os lasers de gás, tendo cavidade comprimentos geralmente variando de 15 a 50 cm (mas, às vezes, até cerca de 1 metro para alcançar os mais altos poderes), de óptica e de níveis de potência de saída variando de 0,5 a 50 mW.
O comprimento de onda do laser de He-Ne vermelho de 633 nm tem um comprimento de onda de vácuo real de 632.991 nm, ou cerca de 632.816 nm no ar. Os comprimentos de onda dos modos de emissão estimulados estão dentro de cerca de 0.001 nm acima ou abaixo deste valor e os comprimentos de onda desses modos mudam dentro desta gama devido à expansão térmica e à contração da cavidade. As versões estabilizadas por frequência permitem que o comprimento de onda de um único modo seja especificado dentro de uma parte em 108 pela técnica de comparar as potências de dois modos longitudinais em polarizações opostas. A estabilização absoluta da frequência (ou comprimento de onda) do laser tão fina como 2,5 partes em 1011 pode ser obtida através da utilização de uma célula de absorção de iodo.
O mecanismo de produção de inversão de população e amplificação de luz em um He-Ne laser plasma origina-se com inelástica colisão de elétrons energéticos com rés-do-estado átomos de hélio na mistura de gases. Como mostrado no diagrama que acompanha o nível de energia, Estas colisões excitam átomos de hélio do Estado do solo para estados de energia mais elevada excitada, entre eles os 23S1 e 21S0 (ls, ou Russell–Saunders Acoplamento, o número da frente 2 indica que um elétron excitado é o Estado n = 2) são estados metastáveis de longa duração. Devido a uma coincidência fortuita entre os níveis de energia dos dois estados metastáveis de hélio e os níveis de néon 5s2 e 4s2 ( Notação Paschen), colisões entre estes átomos metastáveis de hélio e átomos de néon do Estado do solo resulta em uma transferência seletiva e eficiente da energia de excitação do hélio para néon. Esta excitação a transferência de energia do processo é dada pela reação equações
Ele*(23S1) + Ne1S0 → Ele(1B0) + Ne*4s2 + ΔE, Ele*(21) + Ne1S0 + ΔE → Ele(1B0) + Ne*5s2,
, onde * representa um estado excitado, e ΔE é a pequena diferença de energia entre os estados de energia dos dois átomos, da ordem de 0,05 eV, ou 387 cm−1, que é suprida pela energia cinética. Excitação-transferência de energia aumenta a população dos níveis de neon 4s2 e 5s2 manyfold. Quando a população destes dois níveis superiores excede a do nível inferior correspondente, 3p4, a que estão opticamente ligados, a inversão da população está presente. O meio torna-se capaz de amplificar a luz em uma faixa estreita a 1,15 µm (correspondente à transição 4s2 para 3p4) e em uma faixa estreita a 632,8 nm (correspondente à transição 5s2 para 3p4). O nível 3p4 é eficientemente esvaziado pelo rápido decaimento radiativo para o estado 3s, eventualmente atingindo o estado do solo.
o passo restante na utilização da amplificação óptica para criar um oscilador óptico é colocar espelhos altamente refletores em cada extremidade do meio amplificador de modo que uma onda em um modo espacial particular irá refletir sobre si mesma, ganhando mais poder em cada passagem do que é perdido devido à transmissão através dos espelhos e difração. Quando estas condições são cumpridas para um ou mais modos longitudinais, então a radiação nesses modos irá rapidamente acumular-se até que o ganho de saturação ocorra, resultando em uma saída contínua estável do feixe laser através do espelho frontal (tipicamente 99% refletindo).
a largura de banda de ganho do laser He-Ne é dominada pelo alargamento Doppler em vez de alargamento da pressão devido à baixa pressão dos gases e é, portanto, bastante estreita: apenas cerca de 1,5 GHz de largura total para a transição de 633 nm. Com cavidades com comprimentos típicos de 15 a 50 cm, Isso permite que cerca de 2 a 8 modos longitudinais oscilem simultaneamente (no entanto, unidades de modo único-longitudinal estão disponíveis para aplicações especiais). A saída visível do laser de He-Ne vermelho, Comprimento de longa coerência, e sua excelente qualidade espacial, faz deste laser uma fonte útil para a holografia e como referência de comprimento de onda para a espectroscopia. Um laser He-Ne estabilizado é também um dos sistemas de referência para a definição do medidor.
antes da invenção de lasers de díodos baratos e abundantes, lasers vermelhos He-Ne eram amplamente utilizados em scanners de código de barras em contadores de caixa de supermercado. Giroscópios Laser empregaram lasers He-Ne operando a 633 nm em uma configuração de laser de anel. Os lasers He-Ne estão geralmente presentes em laboratórios ópticos educacionais e de pesquisa.