氦氖激光器是以氦氣、氖氣混合氣體為工作物質的原子氣體激光器，標準工作氣體配比約為7:1，依靠氣體輝光放電激勵實現激光輸出。其核心輸出波長包含多條特征譜線，其中632.8nm紅色可見光比較常用，此外還有1.15μm、3.39μm紅外波段輸出譜線。區別于大功率工業激光器，氦氖激光器屬于小功率精密光源，輸出功率通常在毫瓦級，無高能量沖擊，光束具備良好的高斯分布特性。
氦氖激光器解決了早期激光設備輸出不穩定、相干性差的難題，具備三大特質：一是輸出連續穩定，無脈沖波動，適合長時間持續工作；二是單色性、方向性、相干性遠超普通光源，是精密光學測量的理想光源；三是工作壽命長、運行噪音低、無需水冷散熱，整機維護簡單，適配各類常規光學場景。
氦氖激光器的發光核心并非氦原子，而是氖原子，氦氣僅作為能量傳遞媒介，通過共振能量轉移有效實現氖原子的粒子數反轉，這也是其發光的核心機制，整體工作過程分為三個關鍵階段。
1. 氣體泵浦與亞穩態激發
激光器電極施加數千伏直流高壓后，放電管內稀薄混合氣體產生輝光放電，高速運動的電子持續碰撞氦原子，將基態氦原子激發至長壽命亞穩態能級。該能級狀態壽命可達毫秒級，能夠大量儲存激發能量，為后續能量轉移提供充足條件，而不會快速自發輻射損耗能量。
2. 共振能量轉移與粒子數反轉
處于亞穩態的高能氦原子與基態氖原子發生碰撞，通過共振能量轉移將自身能量準確傳遞給氖原子，使氖原子躍遷至高能激發態。由于氖原子高能級粒子積累數量遠多于低能級粒子，成功實現激光產生的粒子數反轉分布，為受激輻射創造核心條件。
3. 受激輻射與激光諧振放大
高能級氖原子自發躍遷回低能級的過程中，輻射出特定波長的光子。光子在放電管兩端的光學諧振腔之間來回反射，不斷激勵更多氖原子產生受激輻射，實現光子數量持續倍增、光束不斷放大。部分光束透過諧振腔的半透半反鏡輸出，形成穩定、單色、相干性強的632.8nm紅色連續激光。
