氦氖激光器中工作物質(zhì)是氦氣和氖氣，其中氦氣為輔助氣體，氖氣為工作氣體。產(chǎn)生激光的是氖原子，不同能級(jí)的受激輻射躍遷將產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的激光，主要有632.8nm、1.15um和3.39um三個(gè)波長(zhǎng)。

氦原子有兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)21S0、23S1，它們的壽命分別為5×10-6s和10-4s，在氣體放電管中，在電場(chǎng)中加速獲得一定動(dòng)能的電子與氦原子碰撞，并將氦原子激發(fā)到21S0、23S1，此兩能級(jí)壽命長(zhǎng)容易積累粒子。因而，在放電管中這兩個(gè)能級(jí)上的氦原子數(shù)是比較多的。這些氦原子的能量又分別與處于3S和2S態(tài)的氖原子的能量相近。處于21S0、23S1能級(jí)的氦原子與基態(tài)氖原子碰撞后，很容易將能量傳遞給氖原子，使它們從基態(tài)躍遷到3S和2S態(tài)，這一過(guò)程稱能量共振轉(zhuǎn)移。由于氖原子的2P、3P態(tài)能級(jí)壽命較短，這樣氖原子在能級(jí)3S－3P、3S－2P、2S－2P間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，從而發(fā)射出3.39um、632.8nm、1.5um三種波長(zhǎng)的激光。　　上述過(guò)程可表示為：

e**+He(11S0)→e*+He*(21S0)

e**+He(11S0)→e*+He*(23S0)

He*(21S0)+Ne(2P6)→He(21S0)+Ne*(3S)

He*(23S1)+Ne(2P6)→He(21S0)+Ne*(2S)

Ne*(3S)→Ne*(2P)產(chǎn)生波長(zhǎng)為632.8nm的激光

Ne*(3S)→Ne*(3P)產(chǎn)生波長(zhǎng)為3.39um的激光

Ne*(2S)→Ne*(2P)產(chǎn)生波長(zhǎng)為1.15um的激光

從理論上講，這三種波長(zhǎng)的激光都有可能發(fā)射，但我們可以采取一些方法去抑制其中的兩種，而使我們所需要的一種波長(zhǎng)的激光得到輸出。632.8nm（紅光）因輸出為可見(jiàn)波段的激光，實(shí)際應(yīng)用較廣泛。