Гелий-неоновый лазер был разработан ещё в начале 60-х гг. прошлого века и являлся первым лазером непрерывного излучения с газовой накачкой. До сих пор этот вид лазеров относится к числу наиболее популярных по соотношению цена-эффективность лазеров видимого диапазона (рабочая длина волны большинства гелий-неоновых лазеров - 632,8 нм). Мощность He-Ne лазерных систем находится в диапазоне от 0,5 мВт до нескольких десятков мВт. Данный лазер применяют, главным образом, в качестве юстировочных устройств, а также, для решения иных задач в сфере измерительной техники (см. рис.1).
Рисунок 1 - He-Ne лазерная система
Гелий-неоновые лазеры способны, наряду с красными линиями спектра, излучать, также, оранжевые, желтые и зеленые, что достигается благодаря использованию резонаторов с соответствующими типами селективных диэлектрических зеркал или призм. Лазерные переходы осуществляются в атоме неона, причем самые интенсивные линии получаются в результате переходов с длиной волн 632,8 нм, 1153 нм и 3391 нм. (см. Таб.1 и Рис.2)
Таб. 1 – Обозначение переходов интенсивных линий He-Ne лазера.
| Схема связи LS | Обозначение по Пашену | Длины волн |
| 5s1P1 → 4p3P2 | 3s2→3p4 | 3,391 мкм (средний ИК диапазон) |
| 4s1P1 → 3p3P2 | 2s2→2p4 | 1,153 мкм (ближний ИК диапазон) |
| 5s1P1 → 3p3P2 | 3s2→2p4 | 0,633 мкм (видимый ИК диапазон) |
Рисунок 2 - Схема энергетических уровней He-Ne лазера
Активная среда гелий-неонового лазера представляет собой газовую смесь с концентраций гелия и неона 5:1, к которой подаётся необходимая энергия в форме электрического разряда. Возбуждение He-атомов происходит на основе соударения электронов — либо непосредственно, либо через дополнительные каскадные переходы из вышележащих уровней. Благодаря долгоживущим метастабильным состояниям плотность атомов гелия в этих состояниях весьма велика.
Необходимые для возбуждения электроны образуются в газовом разряде, который может использоваться с напряжением около 12 кВ при силе тока от 5 до 10 мА. Типичная длина разряда равна 10см или более, диаметр разрядных капилляров составляет порядка 1 мм и соответствует диаметру излученного лазерного пучка. При увеличении диаметра газоразрядной трубки коэффициент полезного действия понижается. Коэффициент полезного действия для лазера, работающего на длине волны 632,8 нм, составляет около 0,1 %, поскольку процесс возбуждения в данном случае не слишком эффективен. Срок службы гелий-неонового лазера насчитывает около 20 000 рабочих часов.
Коэффициент поляризации у обычных коммерческих He-Ne лазерных систем выглядит как соотношение от 500:1 до 1000:1. С целью уменьшения потерь на отражение, окошки газоразрядной трубки гелий-неоновых лазеров могут быть установлены под углом Брюстера, что даёт поляризованное излучение. При работе же лазера без брюстеровских пластин с внутренними зеркалами, генерируется неполяризованное излучение.
Гелий-неоновый лазер генерируется обычно на поперечной моде низшего порядка (ТЕМ00), при этом образуется сразу несколько продольных или аксиальных мод. При длине резонатора, характеризуемой расстоянием между зеркалами как L = 30 см, межмодовый частотный интервал составляет Δ ƒ` = c/2L = 500 МГц. Центральная частота при этом находится на уровне 4,7·10 14 Гц. Поскольку усиление света может произойти в пределах диапазона Δ ƒ = 1500 МГц (доплеровская ширина), то при L = 30см излучается три разных частоты: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. Если же используется меньшее расстояние между зеркалами (менее 10см) может быть получена одночастотная генерация, но это приведёт к значительному падению мощности лазерного излучения.
Однако даже при небольшой мощности (до 80 мВт) гелий-неоновые лазеры имеют ряд преимуществ в виде простоты и надёжности эксплуатации, малой расходимостью пучка (1′ - 10′), а также отличаются высокой степенью монохроматичности (отношение ширины линии генерации ∆v к частоте v для промышленно выпускаемых He-Ne лазеров примерно равно 10-6 -10-8 ).