根據激光器放電管和諧振腔反射鏡放置方式的不同，He-Ne激光器可以分為內腔式、外腔式和半內腔式三種，如圖（1）所示。對于外腔式和半內腔式結構，在放電管的一端或兩端，通過布儒斯特窗片實現真空密封，以減少損耗，并且保證了激光輸出是線偏振光。
He-Ne激光器的工作物質是Ne原子，即激光輻射發生在Ne原子的不同能級之間。He-Ne激光器放電管中充有一定比例的He氣，主要起著提高Ne原子泵浦速率的輔助作用。
圖（1） He-Ne激光器的基本結構形式
圖（2）是與產生激光有關的Ne原子的部分能級圖（進一步的了解可查有關書籍），Ne原子的激光上能級是3S和2S能級，激光下能級是3P和2P能級。由圖可見，He原子的激發能級21S0、23S1分別與Ne原子的#p#分頁標題#e#3S和2S能級十分接近，因此，當He-Ne管內的氣體放電時，He原子與高速電子碰撞，被激發到23S1和21S0上，進而，這些激發態He原子通過共振能量轉移過程，將處在基態上的Ne原子激發到2S和3S能級上。當被激發到3S和2S能級上的Ne原子數足夠多時，會在3S、2S能級與3P、2P能級間產生粒子數反轉，通過受激輻射過程即可產生He-Ne激光。由該過程躍遷到3P、2P能級上的Ne原子，很容易通過自發輻射躍遷到1S能級上，再通過與管壁碰撞將能量交與管壁，回到基態。
圖（2） 與激光躍遷有關的#p#分頁標題#e#Ne原子的部分能級圖
由上述激發過程可見，He-Ne激光器是典型的四能級系統，其激光譜線主要有三條，它們分別與下列躍遷相對應：
3S®2P 0.6328m
2S®2P 1.15m
3S®3P 3.39
現在的商用He-Ne激光器的主要譜線是0.6328mm紅光，其它還有黃光(0.594mm)、綠光(0.543#p#分頁標題#e#mm)和橙光(0.606mm、0.612mm) He-Ne激光器商品出售。
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