氦氖激光器是以氦气、氖气混合气体为工作物质的原子气体激光器，标准工作气体配比约为7:1，依靠气体辉光放电激励实现激光输出。其核心输出波长包含多条特征谱线，其中632.8nm红色可见光比较常用，此外还有1.15μm、3.39μm红外波段输出谱线。区别于大功率工业激光器，氦氖激光器属于小功率精密光源，输出功率通常在毫瓦级，无高能量冲击，光束具备良好的高斯分布特性。
氦氖激光器解决了早期激光设备输出不稳定、相干性差的难题，具备三大特质：一是输出连续稳定，无脉冲波动，适合长时间持续工作；二是单色性、方向性、相干性远超普通光源，是精密光学测量的理想光源；三是工作寿命长、运行噪音低、无需水冷散热，整机维护简单，适配各类常规光学场景。
氦氖激光器的发光核心并非氦原子，而是氖原子，氦气仅作为能量传递媒介，通过共振能量转移有效实现氖原子的粒子数反转，这也是其发光的核心机制，整体工作过程分为三个关键阶段。
1. 气体泵浦与亚稳态激发
激光器电极施加数千伏直流高压后，放电管内稀薄混合气体产生辉光放电，高速运动的电子持续碰撞氦原子，将基态氦原子激发至长寿命亚稳态能级。该能级状态寿命可达毫秒级，能够大量储存激发能量，为后续能量转移提供充足条件，而不会快速自发辐射损耗能量。
2. 共振能量转移与粒子数反转
处于亚稳态的高能氦原子与基态氖原子发生碰撞，通过共振能量转移将自身能量准确传递给氖原子，使氖原子跃迁至高能激发态。由于氖原子高能级粒子积累数量远多于低能级粒子，成功实现激光产生的粒子数反转分布，为受激辐射创造核心条件。
3. 受激辐射与激光谐振放大
高能级氖原子自发跃迁回低能级的过程中，辐射出特定波长的光子。光子在放电管两端的光学谐振腔之间来回反射，不断激励更多氖原子产生受激辐射，实现光子数量持续倍增、光束不断放大。部分光束透过谐振腔的半透半反镜输出，形成稳定、单色、相干性强的632.8nm红色连续激光。
