mediul de câștig al laserului, așa cum sugerează și numele său, este un amestec de gaze de heliu și neon, în aproximativ un raport 5:1, conținut la presiune scăzută într-un plic de sticlă. Amestecul de gaze este în mare parte heliu, astfel încât atomii de heliu pot fi excitați. Atomii de heliu excitați se ciocnesc cu atomii de neon, excitând unii dintre ei la starea care radiază 632,8 nm. Fără heliu, atomii de neon ar fi excitați mai ales pentru a reduce stările excitate, responsabile pentru liniile non-laser.
un laser neon fără heliu poate fi construit, dar este mult mai dificil fără acest mijloc de cuplare a energiei. Prin urmare, un laser He-Ne care și-a pierdut suficient heliul (de exemplu, datorită difuziei prin garnituri sau sticlă) își va pierde funcționalitatea laserului, deoarece eficiența de pompare va fi prea mică. Sursa de energie sau pompă a laserului este asigurată de o descărcare electrică de înaltă tensiune trecută prin gazul dintre electrozi (anod și catod) din interiorul tubului. Un curent continuu de 3 până la 20 mA este de obicei necesar pentru funcționarea CW. Cavitatea optică a laserului constă de obicei din două oglinzi concave sau un plan și o oglindă concavă: una având o reflectanță foarte mare (de obicei 99,9%) și oglinda cuplajului de ieșire care permite o transmisie de aproximativ 1%.
laserele He-Ne comerciale sunt dispozitive relativ mici, printre laserele cu gaz, având lungimi ale cavității de obicei cuprinse între 15 și 50 cm (dar uneori până la aproximativ 1 pentru a atinge cele mai mari puteri) și niveluri de putere de ieșire optică cuprinse între 0,5 și 50 mW.
lungimea de undă a laserului roșu He-Ne de 633 nm are o lungime de undă reală de vid de 632.991 nm sau aproximativ 632.816 nm în aer. Lungimile de undă ale modurilor de emisie stimulate se situează în aproximativ 0.001 nm peste sau sub această valoare, iar lungimile de undă ale acestor moduri se deplasează în acest interval datorită expansiunii termice și contracției cavității. Versiunile stabilizate în frecvență permit ca lungimea de undă a unui singur mod să fie specificată la 1 parte din 108 prin tehnica comparării puterilor a două moduri longitudinale în polarizări opuse. Stabilizarea absolută a frecvenței (sau lungimii de undă) a laserului la fel de fină ca 2,5 părți în 1011 poate fi obținută prin utilizarea unei celule de absorbție a iodului.
mecanismul care produce inversarea populației și amplificarea luminii într-o plasmă laser He-Ne își are originea în coliziunea inelastică a electronilor energetici cu atomii de heliu de la sol amestecul de gaze. Așa cum se arată în diagrama însoțitoare a nivelului de energie, aceste coliziuni excită atomii de heliu de la starea de bază la stări excitate cu energie mai mare, printre care 23S1 și 21s0 (LS, sau cuplarea Russell-Saunders, numărul frontal 2 indică faptul că un electron excitat este N = 2 stare) sunt stări metastabile de lungă durată. Din cauza unei coincidențe fortuite între nivelurile de energie ale celor două stări metastabile He și nivelurile de neon 5S2 și 4S2 ( notația Paschen), coliziunile dintre acești atomi metastabili de heliu și atomii de neon din starea de bază au ca rezultat un transfer selectiv și eficient al energiei de excitație de la heliu la neon. Acest proces de transfer de energie de excitație este dat de ecuațiile de reacție He*(23s1) + Ne1S0 hectolitri He(1S0) + Ne*4S2 + CENTOLZI, He*(21S) + Ne1S0 + centolzi he(1S0) + Centolzi Ne*5S2,
unde * reprezintă o stare excitată, iar CENTOLZI reprezintă diferența energetică mică dintre stările energetice ale celor doi atomi, de ordinul 0,05 eV, sau 387 cm−1, Care este furnizată de energia cinetică. Excitație-transferul de energie crește populația nivelurilor de neon 4S2 și 5S2 de multe ori. Când populația acestor două niveluri superioare o depășește pe cea a nivelului inferior corespunzător, 3p4, la care sunt conectate optic, este prezentă inversarea populației. Mediul devine capabil să amplifice lumina într-o bandă îngustă la 1,15 mm (corespunzătoare tranziției 4s2 până la 3P4) și într-o bandă îngustă la 632,8 nm (corespunzătoare tranziției 5S2 până la 3P4). Nivelul 3P4 este golit eficient prin dezintegrare radiativă rapidă la starea 3s, ajungând în cele din urmă la starea de bază.pasul rămas în utilizarea amplificării optice pentru a crea un oscilator optic este de a plasa oglinzi foarte reflectorizante la fiecare capăt al mediului de amplificare, astfel încât o undă într-un anumit mod spațial să se reflecte înapoi asupra sa, câștigând mai multă putere în fiecare trecere decât se pierde din cauza transmisiei prin oglinzi și difracție. Când aceste condiții sunt îndeplinite pentru unul sau mai multe moduri longitudinale, atunci radiația în aceste moduri se va acumula rapid până când apare saturația câștigului, rezultând o ieșire continuă stabilă a fasciculului laser prin oglinda frontală (de obicei 99% reflectând).
lățimea de bandă a laserului He-Ne este dominată mai degrabă de lărgirea Doppler decât de lărgirea presiunii datorită presiunii scăzute a gazului și este astfel destul de îngustă: doar aproximativ 1,5 GHz lățime completă pentru tranziția de 633 nm. Cu cavități cu lungimi tipice de 15 până la 50 cm, Acest lucru permite aproximativ 2 până la 8 moduri longitudinale să oscileze simultan (cu toate acestea, unitățile cu un singur mod longitudinal sunt disponibile pentru aplicații speciale). Ieșirea vizibilă a laserului roșu He-Ne, lungimea lungă de coerență și calitatea sa spațială excelentă fac din acest laser o sursă utilă pentru holografie și ca referință pentru lungimea de undă pentru spectroscopie. Un laser stabilizat He-Ne este, de asemenea, unul dintre sistemele de referință pentru definirea contorului.
înainte de inventarea laserelor cu diode ieftine și abundente, laserele roșii he-Ne erau utilizate pe scară largă în scanerele de coduri de bare de la ghișeele de la supermarket. Giroscoapele Laser au folosit lasere He-Ne care funcționează la 633 nm într-o configurație laser inelară. Laserele He-Ne sunt în general prezente în laboratoarele optice educaționale și de cercetare.