一、氦氖激光器常见的结构形式
氦氖激光器的性能与应用场景，主要取决于其光学谐振腔与放电管之间的结合方式，由此演化出三种各具特色的结构形式。
1、内腔式结构
这是最为常见的设计。它将谐振腔的两片反射镜直接、永久地密封固定在玻璃放电管的两端，形成一个整体。这种结构最大的优点是用户无需进行任何光路调节，通电即可使用，极为便利，且腔内光能损耗小。但其主要缺点是热稳定性较差。激光器工作时放电管发热，导致玻璃管壳变形，可能引起固定的谐振腔失谐，造成输出功率不稳或下降，长管型激光器此问题尤为明显。
2、外腔式结构
这种结构则完全分离了放电管和谐振腔。放电管两端装有特殊角度的布儒斯特窗片，反射镜独立安装在外部可调的镜架上。这种设计有效隔离了热源，获得了极高的热稳定性和机械稳定性。其输出的激光是线偏振光，便于科学实验。然而，其结构复杂，使用前需要精细调节外部反射镜以实现光路准直，对操作者的技能有一定要求。
3、半内腔式结构
这是一种折中方案。它的一端反射镜固定于管上，另一端则采用布儒斯特窗连接一个外部可调反射镜。这种形式既保留了内腔式即插即用的便利性，又通过一个可调端补偿了热变形，提升了稳定性并允许实验微调，因此在精度要求较高的科研与计量领域受到青睐。
无论采用何种外部结构，其核心内部组件是共通的：一个充有低压氦氖混合气体的毛细管是产生增益的区域，与之相连的储气室用于稳定气压，电极则用于引入高压产生放电。这些核心单元与不同谐振腔构型的组合，满足了从教学演示到精密科研的多样化需求。
二、氦氖激光器工作原理
氦氖激光器的工作是一个将电能转化为高度有序光能的精密过程，其核心在于建立粒子数反转并通过光学谐振腔实现受激辐射的光放大。
1、气体放电与共振能量转移
整个过程始于气体放电。当在电极间施加高压时，产生的自由电子首先与氦原子碰撞，将其激发至两个亚稳态能级。这些亚稳态氦原子在与基态氖原子碰撞时，由于能级值极为接近，会通过高效的共振能量转移过程，将能量传递给氖原子，使后者被选择性地激发到特定的高能级，例如对应于632.8纳米红光的上能级。
2、粒子数反转的形成
激光产生的必要条件是粒子数反转，即处于高能级的原子数多于低能级。在上述过程中，氖原子被持续“泵送”到上能级，而相应的下能级寿命极短，原子会迅速离开，从而不会在此积聚。这样，在特定的氖原子能级对之间就建立并维持了粒子数反转状态，为光的放大准备好了介质。
3、受激辐射与光学谐振放大
此时，一个由自发辐射产生的光子通过处于反转状态的介质时，会引发受激辐射，产生一个与其完全一样的光子。光学谐振腔的核心作用在于提供正反馈：它由两端高反射率的镜片构成，使光子在腔内往返穿梭，无数次地通过增益介质。每一次通过都引发更多的受激辐射，光强如同雪崩般被链式放大，同时光的频率和方向也被严格筛选。最终，一部分被放大后的光透过具有一定透射率的输出镜射出，形成高度准直、相干的连续激光束。
4、其他输出特性
通过设计谐振腔镜片的膜系，可以抑制或增强不同能级间的跃迁，从而使氦氖激光器也能输出1.15微米或3.39微米等红外波长的激光。此外，由于其工作气压很低，主要谱线加宽机制是原子热运动导致的多普勒加宽，这属于非均匀加宽，也为实现单频激光输出提供了可能。
