Laser He-Ne là laser nguyên tử trung hoà. Sơ đồ mức năng lượng của laser He- Ne được biểu diễn trên hình 4.2. Sự phát laser xảy ra trên các mức Ne, còn He thêm vào để thực hiện quá trình bơm
Hình 2.4. Sơ đồ các mức năng lượng của laser He-Ne
Các mức 23S và 21S của He rất gần với 2s và 3s của Ne. Vì các mức 23S và 21S của He là siêu bền nên He rất tiện lợi để bơm các mức 2s và 3s của Ne nhờ va chạm truyền cộng hưởng. Đây là quá trình chủ yếu tạo thành nghịch đảo độ tích luỹ trong laser He-Ne mặc dù sự va chạm trực tiếp của điện tử với Ne cũng tham gia quá trình bơm. Như vậy các mức 2s và 3s sẽ trở thành các mức laser trên được tích luỹ và dẫn tới sự phát laser.
Theo quy tắc chọn lọc, các dịch chuyển sang trạng thái p là cho phép. Ngoài ra, thời gian sống của trạng thái s (~100 ns) lớn hơn một bậc so với thời gian sống của trạng thái p (~ 10 ns). Như vậy trường hợp này thoả mãn điều kiện để laser làm việc ở chế độ 4 mức. Laser He-Ne có thể phát trên một trong các dịch chuyển a, b, c.
Dịch chuyển mạnh nhất là dịch chuyển a cho bước sóng λ = 3390 nm. Trong số các dịch chuyển loại b, dịch chuyển mạnh nhất cho bước sóng λ = 632.8 nm thông dụng nhất đối với laser He-Ne hiện nay. Dịch chuyển loại c cho bước sóng λ = 1150 nm. Tùy theo buồng cộng hưởng tạo bởi gương có hệ số phản xạ cực đại đối với bước
sóng nào mà laser sẽ làm việc ở dịch chuyển a, b hay c. Để tạo được hệ số phản xạ cao đối với vùng bước sóng riêng biệt người ta phải dùng gương điện môi nhiều lớp [1,3].