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ヘリウムネオンレーザーまたはHe-Neレーザーは、高エネルギー利得媒体がヘリウムとネオンの混合物（比率は5:1～10:1）で構成され、小さな放電内で全圧が約1 Torr（133.322 Pa ）であるガスレーザーの一種です。最もよく知られ、最も広く使用されているHe-Neレーザーは、可視スペクトルの赤色部分で、中心波長が632.81646 nm（空気中）、632.99138 nm（真空中）、周波数が473.6122 THzで動作します[ 1 ] 。レーザー共振器のモード構造により、レーザーの瞬間出力は中心からどちらの方向にも最大500 MHzシフトできます。
最初の He-Ne レーザーは1150 nmの赤外線を放出し、最初のガス レーザーであり、連続波出力を持つ最初のレーザーでもありました。しかし、可視波長で動作するレーザーの方がはるかに需要が高かったのです。反転分布が実現できるものを特定するために、他の多くのネオン遷移が調査されました。633 nm 線は可視スペクトルで最も高い利得を持つことがわかり、これがほとんどの He-Ne レーザーの選択された波長となりました。しかし、他の可視および赤外線誘導放出波長も可能であり、これらの他の波長でピーク反射率を持つミラー コーティングを使用することで、赤、オレンジ、黄色、緑に見える可視レーザーを含む、これらの遷移を利用するように He-Ne レーザーを設計することができます。[ 2 ]誘導放出は、遠赤外線の 100 μm以上から可視の 540 nmまで知られています。
可視光遷移は利得がやや低いため、これらのレーザーは一般的に出力効率が低く、コストも高くなります。3.39 μm遷移は非常に高い利得を持ちますが、共振器 とミラーがその波長で損失が大きいため、通常のHe-Neレーザー（目的波長が異なるもの）では使用できません。しかし、特に共振器が長い高出力He-Neレーザーでは、3.39 μmでの超発光が問題となり、誘導放出媒体からパワーを奪ってしまうため、多くの場合、追加の抑制が必要となります。
最もよく知られ、最も広く使用されているHe-Neレーザーは、可視スペクトル の赤色部分である632.8 nmの波長で動作します。これは、 1960年12月に同じ研究所で最初の連続赤外線He-Neガスレーザーの先駆的な実証が行われてから18か月後の1962年にベル電話研究所で開発されました。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
レーザーの利得媒体は、その名称が示すように、ヘリウムとネオンの混合ガス（約10：1の比率）を低圧でガラス管内に封入したものである。混合ガスの大部分はヘリウムであるため、ヘリウム原子は励起される。励起されたヘリウム原子はネオン原子と衝突し、ネオン原子の一部を632.8 nmの光を放射する状態に励起する。ヘリウムがない場合、ネオン原子は主に低い励起状態に励起され、レーザー光以外の線が発生する。
ヘリウムを含まないネオンレーザーを構築することは可能ですが、このエネルギー結合手段がないと非常に困難になります。したがって、シールやガラスを通して拡散するなどしてヘリウムが十分に失われたHe-Neレーザーは、ポンピング効率が低すぎるため、レーザー機能を失います。[ 6 ]レーザーのエネルギーまたはポンプ源は、管内の電極（陽極と陰極）間のガスを通過する高電圧放電によって供給されます。CW動作には通常、3～20mAの直流電流が必要です。レーザーの光共振器は通常、2つの凹面鏡、または1つの平面鏡と1つの凹面鏡で構成されます。1つは非常に高い（通常99.9%）反射率を持ち、出力結合ミラーは約1%の透過率を許容します。
市販のHe-Neレーザーは、他のガスレーザーに比べて比較的小型の装置であり、共振器長は通常15～50cm （ただし、最高出力を得るためには最大約1 メートルになる場合もある）で、光出力レベルは0.5～ 50mWである。
赤色He-Neレーザーの正確な波長は 真空中で632.991 nmであり、 空気中では約632.816 nmに屈折します。誘導放出モードの波長は この値から約0.001 nmの範囲内にあり、これらのモードの波長はこの範囲内で共振器の熱膨張と収縮により変化します。周波数安定化バージョンでは、反対の偏光の2つの縦モードのパワーを比較する技術により、単一モードの波長を10⁸ 分の1の精度で指定できます。 [ 7 ]ヨウ素吸収セルを使用することで、レーザーの周波数（または波長）を10¹¹分の2.5という高精度で絶対的に安定化できます。 [ 8 ]
He-Neレーザープラズマ[ 5 ]で反転分布と光増幅を引き起こすメカニズムは、混合ガス中の基底状態のヘリウム原子と高エネルギー電子の非弾性衝突に由来します。添付のエネルギー準位図に示すように、これらの衝突によりヘリウム原子は基底状態からより高いエネルギーの励起状態に励起され、その中には2 3 S 1と2 1 S 0（LS、またはRussell–Saunders結合、フロント番号2は励起電子がn = 2状態であることを示す）という長寿命の準安定状態があります。2つのHe準安定状態のエネルギー準位とネオンの5s 2と4s 2（Paschen表記[ 9 ]）準位が偶然ほぼ一致するため、これらのヘリウム準安定原子と基底状態のネオン原子との衝突により、励起エネルギーがヘリウムからネオンに選択的かつ効率的に伝達されます。この励起エネルギー移動プロセスは、反応式によって表される。
ここで、* は励起状態を表し、Δ Eは 2 つの原子のエネルギー状態間の小さなエネルギー差で、約 0.05 eV、または 387 cm −1であり、運動エネルギーによって供給されます。励起エネルギー移動により、ネオンの 4s 2および 5s 2レベルの占有率が何倍にも増加します。これら 2 つの上位レベルの占有率が、光学的に接続されている対応する下位レベル 3p 4の占有率を超えると、反転分布が生じます。媒質は、1.15 μm (4s 2から 3p 4遷移に対応) の狭帯域と 632.8 nm (5s 2から 3p 4遷移に対応)の狭帯域で光を増幅できるようになります。3p 4レベルは、3s 状態への高速放射崩壊によって効率的に空になり、最終的に基底状態に到達します。
光増幅を利用して光発振器を生成する際の残りのステップは、増幅媒体の両端に高反射ミラーを配置することです。これにより、特定の空間モードの波が反射して戻り、ミラー透過や回折による損失よりも多くのパワーを各通過で得ることができます。これらの条件が1つ以上の縦モードで満たされると、それらのモードの放射は急速に増加し、利得飽和が発生して、前面（通常は99%の反射率）ミラーから安定した連続レーザービームが出力されます。
He-Ne レーザーの利得帯域幅は、ガス圧が低いため圧力広がりよりもドップラー広がりが支配的であり、そのため非常に狭く、633 nm 遷移では全幅が約 1.5 GHzしかない。 [ 7 ] [ 10 ]共振器の長さが通常 15 ～ 50 cm であるため、約 2 ～ 8 個の縦モードが同時に発振する (ただし、特殊な用途向けに単一縦モードのユニットも利用可能)。赤色 He-Ne レーザーの可視出力、長いコヒーレンス長、および優れた空間品質により、このレーザーはホログラフィーの光源として、また分光法の波長基準として有用である。安定化 He-Ne レーザーは、メートルの定義のためのベンチマーク システムの一つでもある。[ 8 ]
安価で豊富なダイオードレーザーが発明される以前は、赤色He-Neレーザーがスーパーマーケットのレジカウンターにあるバーコードスキャナーに広く使用されていました。He-Neレーザーは一般的に教育機関や研究機関の光学実験室に設置されています。また、半導体デバイス製造などの用途におけるナノ位置決めにも最適です。高精度レーザージャイロスコープでは、リングレーザー 構成で633nmのHe-Neレーザーが使用されています。
赤色He-Neレーザーは、産業および科学分野で非常に多くの用途があります。空間コヒーレンス（単一モードガウスビーム）と長いコヒーレンス長という点で同等の品質のビームを生成する他の可視レーザーと比較して、比較的低コストで操作が容易なため、光学分野の実験室でのデモンストレーションに広く使用されています（ただし、1990年頃から半導体レーザーが、このような多くの用途においてより低コストの代替手段を提供しています）。
1978年から、パイオニアのレーザーディスクプレーヤーには、東芝とNECが製造したHeNe管レーザーが採用されました。これは1984年モデルまで続き、その後は赤外線レーザーダイオードが使用されました。パイオニアはその後も、2009年にレーザーディスクの販売が終了するまで、すべてのレーザーディスクプレーヤーにレーザーダイオードを使用し続けました。