เลเซอร์ ฮีเลียม-นีออนหรือเลเซอร์ He-Ne เป็น เลเซอร์ก๊าซชนิดหนึ่งที่มีตัวกลางขยายพลังงานสูงซึ่งประกอบด้วยส่วนผสมของฮีเลียมและนีออน (อัตราส่วนระหว่าง 5:1 และ 10:1) ที่ความดันรวมประมาณ 1 Torr (133.322 Pa ) ภายใน การปล่อยประจุไฟฟ้าขนาดเล็กเลเซอร์ He-Ne ที่รู้จักกันดีและใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดทำงานที่ความยาวคลื่นศูนย์กลาง 632.81646 nm (ในอากาศ), 632.99138 nm (สุญญากาศ) และความถี่ 473.6122 THz ^{[ 1 ]}ในส่วนสีแดงของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ เนื่องจากโครงสร้างโหมดของโพรงเลเซอร์ เอาต์พุตทันทีของเลเซอร์สามารถเลื่อนได้มากถึง 500 MHz ในทิศทางใดทิศทางหนึ่งจากศูนย์กลาง

เลเซอร์ He-Ne รุ่นแรกปล่อยรังสีอินฟราเรดที่ 1150  นาโนเมตรและเป็นเลเซอร์ก๊าซรุ่นแรกและเลเซอร์รุ่นแรกที่มีเอาต์พุตคลื่นต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม เลเซอร์ที่ทำงานในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้เป็นที่ต้องการมากกว่ามาก มีการศึกษาการเปลี่ยนสถานะของนีออนอื่นๆ อีกหลายรายการเพื่อระบุการเปลี่ยนสถานะที่ สามารถทำให้เกิด การผกผันของประชากรได้ พบว่าเส้น 633 นาโนเมตรมีการขยายสูงสุดในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ทำให้ความยาวคลื่นนี้เป็นความยาวคลื่นที่เลือกใช้สำหรับเลเซอร์ He-Ne ส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม ความยาวคลื่นการปล่อยแบบกระตุ้นที่มองเห็นได้และอินฟราเรดอื่นๆ ก็เป็นไปได้ และโดยการใช้การเคลือบกระจกที่มีการสะท้อนสูงสุดที่ความยาวคลื่นอื่นๆ เหล่านี้ เลเซอร์ He-Ne สามารถออกแบบให้ใช้การเปลี่ยนสถานะเหล่านั้นได้ รวมถึงเลเซอร์ที่มองเห็นได้ซึ่งปรากฏเป็นสีแดง ส้ม เหลือง และเขียว^{[ 2 ]}การปล่อยแบบกระตุ้นเป็นที่รู้จักกันตั้งแต่มากกว่า 100 ไมโครเมตรในอินฟราเรดไกลไปจนถึง 540 นาโนเมตรในแสงที่มองเห็นได้

เนื่องจากการเปลี่ยนสถานะที่มองเห็นได้มีอัตราการขยายค่อนข้างต่ำกว่า เลเซอร์เหล่านี้จึงโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพการส่งออกต่ำกว่าและมีราคาแพงกว่า การเปลี่ยนสถานะที่ 3.39 ไมโครเมตรมีอัตราการขยายสูงมาก แต่ไม่สามารถนำไปใช้ในเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนทั่วไป (ที่มีความยาวคลื่นที่ต้องการแตกต่างกัน) ได้ เนื่องจากโพรงและกระจกมีความสูญเสียที่ความยาวคลื่นนั้น อย่างไรก็ตาม ในเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนกำลังสูงที่มีโพรงยาวเป็นพิเศษการเรืองแสงยิ่งยวดที่ 3.39 ไมโครเมตรอาจกลายเป็นปัญหา ทำให้พลังงานจากตัวกลางการปล่อยแสงกระตุ้นลดลง ซึ่งมักต้องมีการลดทอนเพิ่มเติม

เลเซอร์ He-Ne ที่รู้จักกันดีและใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดทำงานที่ความยาวคลื่น 632.8 นาโนเมตร ซึ่งอยู่ในช่วงสีแดงของสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ เลเซอร์ชนิด นี้ได้รับการพัฒนาขึ้นที่ห้องปฏิบัติการเบลล์เทเลโฟนในปี พ.ศ. 2505 ^{[ 3 ] [ 4 ]} 18 เดือนหลังจากการสาธิตเลเซอร์ก๊าซ He-Ne อินฟราเรดแบบต่อเนื่องครั้งแรกที่ห้องปฏิบัติการเดียวกันในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2503 ^{[ 5 ]}

ตัวกลางเพิ่มกำลังของเลเซอร์ ดังที่ชื่อบ่งบอก คือส่วนผสมของ ก๊าซ ฮีเลียมและนีออนในอัตราส่วนประมาณ 10:1 บรรจุอยู่ในซองแก้วที่ความดันต่ำ ส่วนผสมของก๊าซส่วนใหญ่เป็นฮีเลียม เพื่อให้อะตอมของฮีเลียมสามารถถูกกระตุ้นได้ อะตอมของฮีเลียมที่ถูกกระตุ้นจะชนกับอะตอมของนีออน ทำให้บางส่วนของอะตอมนีออนถูกกระตุ้นให้ไปอยู่ในสถานะที่แผ่รังสีความยาวคลื่น 632.8 นาโนเมตร หากไม่มีฮีเลียม อะตอมของนีออนส่วนใหญ่จะถูกกระตุ้นไปอยู่ในสถานะกระตุ้นที่ต่ำกว่า ซึ่งเป็นสาเหตุของเส้นสเปกตรัมที่ไม่ใช่เลเซอร์

สามารถสร้างเลเซอร์นีออนที่ไม่มีฮีเลียมได้ แต่จะทำได้ยากกว่ามากหากไม่มีตัวกลางในการเชื่อมต่อพลังงาน ดังนั้นเลเซอร์ He-Ne ที่สูญเสียฮีเลียมไปมากพอ (เช่น เนื่องจากการแพร่กระจายผ่านซีลหรือกระจก) จะสูญเสียการทำงานของเลเซอร์เนื่องจากประสิทธิภาพการปั๊มจะต่ำเกินไป^{[ 6 ]} แหล่งพลังงานหรือแหล่งปั๊มของเลเซอร์นั้นได้มาจาก การปล่อยประจุไฟฟ้าแรงสูงที่ผ่านก๊าซระหว่างอิเล็กโทรด ( แอโนดและแคโทด ) ภายในหลอด โดยทั่วไปแล้วต้องใช้กระแสตรง 3 ถึง 20 mA สำหรับการทำงานแบบต่อเนื่องโพรงแสงของเลเซอร์มักประกอบด้วยกระจกเว้าสองบานหรือกระจกแบนหนึ่งบานและกระจกเว้าหนึ่งบาน: บานหนึ่งมีค่าการสะท้อนแสงสูงมาก (โดยทั่วไป 99.9%) และ กระจก ตัวเชื่อมต่อเอาต์พุตที่ยอมให้การส่งผ่านประมาณ 1%

เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนเชิงพาณิชย์เป็นอุปกรณ์ที่มีขนาดค่อนข้างเล็กเมื่อเทียบกับเลเซอร์ก๊าซชนิดอื่น โดยปกติแล้วความยาวของโพรงจะอยู่ระหว่าง 15 ถึง 50 เซนติเมตร (แต่บางครั้งอาจยาวถึงประมาณ 1 เมตรเพื่อให้ได้กำลังสูงสุด) และ ระดับ กำลัง เอาต์พุตทางแสงจะ อยู่ ระหว่าง 0.5 ถึง 50 มิลลิวัตต์

ความยาวคลื่นที่แม่นยำของเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนสีแดงคือ 632.991 นาโนเมตรในสุญญากาศ ซึ่งจะหักเหเป็นประมาณ 632.816 นาโนเมตรในอากาศ ความยาวคลื่นของโหมดการปล่อยแบบกระตุ้นจะอยู่ภายในค่าประมาณ 0.001 นาโนเมตรเหนือหรือต่ำกว่าค่านี้ และความยาวคลื่นของโหมดเหล่านั้นจะเปลี่ยนแปลงภายในช่วงนี้เนื่องจากการขยายตัวและการหดตัวทางความร้อนของโพรง เลเซอร์ แบบ รักษาเสถียรภาพความถี่ช่วยให้สามารถระบุความยาวคลื่นของโหมดเดียวได้ภายใน 1 ส่วนใน 10⁸ ^โดยใช้เทคนิคการเปรียบเทียบกำลังของสองโหมดตามยาวในโพลาไรเซชันตรงข้าม^{[ 7 ]}การรักษาเสถียรภาพความถี่ (หรือความยาวคลื่น) ของเลเซอร์ได้อย่างสมบูรณ์แบบถึง 2.5 ส่วนใน 10¹¹ ^{สามารถ}ทำได้โดยใช้เซลล์ดูดซับไอโอดีน^{[ 8 ]}

กลไกที่ทำให้เกิดการผกผันของประชากรและการขยายแสงในพลาสมาเลเซอร์ He-Ne ^{[ 5 ]}เกิดจากการชนแบบไม่ยืดหยุ่นของอิเล็กตรอนพลังงานสูงกับอะตอมฮีเลียมสถานะพื้นฐานในส่วนผสมของก๊าซ ดังแสดงในแผนภาพระดับพลังงานที่แนบมา การชนเหล่านี้จะกระตุ้นอะตอมฮีเลียมจากสถานะพื้นฐานไปยังสถานะกระตุ้นพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งในจำนวนนี้ 2 ³ S ₁และ 2 ¹ S ₀ ( LS หรือ Russell–Saunders couplingหมายเลขหน้า 2 บ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นอยู่ใน สถานะ n  = 2) เป็นสถานะกึ่งเสถียรที่มีอายุยืนยาว เนื่องจากความบังเอิญที่ใกล้เคียงกันระหว่างระดับพลังงานของสถานะกึ่งเสถียรของฮีเลียมทั้งสองและระดับ 5s ₂และ 4s ₂ ( สัญกรณ์ Paschen ^{[ 9 ]} ) ของนีออน การชนกันระหว่างอะตอมฮีเลียมกึ่งเสถียรเหล่านี้กับอะตอมนีออนสถานะพื้นฐานส่งผลให้เกิดการถ่ายโอนพลังงานกระตุ้นจากฮีเลียมไปยังนีออนอย่างเลือกสรรและมีประสิทธิภาพ กระบวนการถ่ายโอนพลังงานกระตุ้นนี้แสดงได้ด้วยสมการปฏิกิริยา

เขา*(2 ³ S ₁ ) + Ne ¹ S ₀ → เขา( ¹ S ₀ ) + Ne*4s ₂ + Δ E ,

เขา*(2 ¹ S) + Ne ¹ S ₀ + Δ E → เขา( ¹ S ₀ ) + Ne*5s ₂ ,

โดยที่ * แทนสถานะกระตุ้น และ Δ Eคือความแตกต่างของพลังงานเล็กน้อยระหว่างสถานะพลังงานของอะตอมทั้งสอง ซึ่งมีค่าประมาณ 0.05  eVหรือ 387 cm ^{−1 ซึ่งได้มาจากพลังงานจลน์ การถ่ายโอนพลังงานกระตุ้นจะเพิ่มจำนวนประชากรของระดับ 4s} ₂และ 5s ₂ของนีออนหลายเท่า เมื่อจำนวนประชากรของสองระดับบนนี้มากกว่าระดับล่างที่สอดคล้องกัน 3p ₄ซึ่งเชื่อมต่อกันทางแสง จะเกิดการผกผันของประชากรขึ้น ตัวกลางจะสามารถขยายแสงในช่วงแคบๆ ที่ 1.15 μm (สอดคล้องกับการเปลี่ยนผ่านจาก 4s ₂ไปยัง 3p ₄ ) และในช่วงแคบๆ ที่ 632.8 nm (สอดคล้องกับการเปลี่ยนผ่านจาก 5s ₂ไปยัง 3p ₄ ) ระดับ 3p ₄ จะถูก ทำให้ว่างลงอย่างมีประสิทธิภาพโดยการสลายตัวแบบแผ่รังสีอย่างรวดเร็วไปยังสถานะ 3s และในที่สุดก็จะถึงสถานะพื้นฐาน

ขั้นตอนที่เหลือในการใช้การขยายสัญญาณแสงเพื่อสร้างออสซิลเลเตอร์แสงคือการวางกระจกสะท้อนแสงสูงไว้ที่ปลายแต่ละด้านของตัวกลางขยายสัญญาณ เพื่อให้คลื่นในโหมดเชิงพื้นที่ เฉพาะ สะท้อนกลับมายังตัวเอง ทำให้ได้รับพลังงานมากขึ้นในแต่ละรอบมากกว่าพลังงานที่สูญเสียไปเนื่องจากการส่งผ่านกระจกและการเลี้ยวเบน เมื่อเงื่อนไขเหล่านี้เป็นไปตามที่กำหนดสำหรับโหมดตามยาว หนึ่งโหมดหรือมากกว่า นั้น การแผ่รังสีในโหมดเหล่านั้นจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนกระทั่งถึง จุดอิ่มตัว ของการขยายสัญญาณส่งผลให้ได้ลำแสงเลเซอร์ที่เสถียรและต่อเนื่องผ่านกระจกด้านหน้า (โดยทั่วไปสะท้อนแสง 99%)

แบนด์วิดท์การขยายของเลเซอร์ He-Ne นั้นถูกครอบงำด้วยการขยายตัวแบบดอปเปลอร์มากกว่าการขยายตัวเนื่องจากความดันเนื่องจากความดันก๊าซต่ำ จึงค่อนข้างแคบ: ความกว้างเต็มที่เพียงประมาณ 1.5 GHz สำหรับการเปลี่ยนผ่านที่ 633 nm ^{[ 7 ] [ 10 ]}ด้วยโพรงที่มีความยาวทั่วไป 15 ถึง 50 ซม. ทำให้  โหมด ตามยาวประมาณ 2 ถึง 8 โหมดสามารถสั่นพร้อมกันได้ (อย่างไรก็ตาม มีหน่วยโหมดตามยาวเดี่ยวสำหรับแอปพลิเคชันพิเศษ) เอาต์พุตที่มองเห็นได้ของเลเซอร์ He-Ne สีแดงความยาวการคงตัว ที่ยาว และคุณภาพเชิงพื้นที่ที่ยอดเยี่ยม ทำให้เลเซอร์นี้เป็นแหล่งกำเนิดที่มีประโยชน์สำหรับโฮโลแกรมและเป็นตัวอ้างอิงความยาวคลื่นสำหรับสเปกโทรสโกปีเลเซอร์ He-Ne ที่เสถียรยังเป็นหนึ่งในระบบมาตรฐานสำหรับการกำหนดหน่วยเมตรอีกด้วย^{[ 8 ]}

ก่อนการประดิษฐ์เลเซอร์ไดโอด ราคาถูกและหาได้ง่าย เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนสีแดงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องสแกนบาร์โค้ดที่เคาน์เตอร์ชำระเงินในซูเปอร์มาร์เก็ต เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนมักพบได้ในห้องปฏิบัติการทางแสงเพื่อการศึกษาและการวิจัย นอกจากนี้ยังเป็นเลเซอร์ที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานในการกำหนดตำแหน่งระดับนาโนในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่นการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ไจโร สโคปเลเซอร์ความแม่นยำสูงได้ใช้เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนที่ทำงานที่ความยาวคลื่น 633 นาโนเมตรในรูปแบบ เลเซอร์วงแหวน

เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนสีแดงมีประโยชน์มากมายในอุตสาหกรรมและวิทยาศาสตร์ มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในการสาธิตในห้องปฏิบัติการด้านทัศนศาสตร์เนื่องจากมีต้นทุนค่อนข้างต่ำและใช้งานง่ายเมื่อเทียบกับเลเซอร์แสงที่มองเห็นได้ชนิดอื่น ๆ ที่ให้ลำแสงคุณภาพใกล้เคียงกันในแง่ของความสอดคล้องเชิงพื้นที่ ( ลำแสงเกาส์เซียนแบบโหมดเดียว ) และความยาวความสอดคล้อง ที่ยาวนาน (อย่างไรก็ตาม ตั้งแต่ประมาณปี 1990 เป็นต้นมา เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้นำเสนอทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำกว่าสำหรับการใช้งานดังกล่าวหลายอย่าง)

ตั้งแต่ปี 1978 เป็นต้นมา เครื่องเล่น เลเซอร์ดิสก์ของPioneerใช้ เลเซอร์หลอดฮีเลียม-นีโอไดเมียม (ผลิตโดย ToshibaและNEC ) และยังคงใช้ เลเซอร์ไดโอดต่อไปจนถึงรุ่นปี 1984 ซึ่งเปลี่ยนมาใช้เลเซอร์ไดโอดอินฟราเรดแทน หลังจากนั้น Pioneer ก็ยังคงใช้เลเซอร์ไดโอดในเครื่องเล่นเลเซอร์ดิสก์ทุกรุ่นจนกระทั่งเลิกผลิตเลเซอร์ดิสก์ในปี 2009

• รายชื่อประเภทของเลเซอร์
• ก๊าซอาร์กอน