氦氖激光器中工作物质是氦气和氖气，其中氦气为辅助气体，氖气为工作气体。产生激光的是氖原子，不同能级的受激辐射跃迁将产生不同波长的激光，主要有632.8nm、1.15um和3.39um三个波长。
氦原子有两个亚稳态能级21S0、23S1，它们的寿命分别为5×10-6s和10-4s，在气体放电管中，在电场中加速获得一定动能的电子与氦原子碰撞，并将氦原子激发到21S0、23S1，此两能级寿命长容易积累粒子。因而，在放电管中这两个能级上的氦原子数是比较多的。这些氦原子的能量又分别与处于3S和2S态的氖原子的能量相近。处于21S0、23S1能级的氦原子与基态氖原子碰撞后，很容易将能量传递给氖原子，使它们从基态跃迁到3S和2S态，这一过程称能量共振转移。由于氖原子的2P、3P态能级寿命较短，这样氖原子在能级3S－3P、3S－2P、2S－2P间形成粒子数反转分布，从而发射出3.39um、632.8nm、1.5um三种波长的激光。 上述过程可表示为：
e**+He(11S0)→e*+He*(21S0)
e**+He(11S0)→e*+He*(23S0)
He*(21S0)+Ne(2P6)→He(21S0)+Ne*(3S)
He*(23S1)+Ne(2P6)→He(21S0)+Ne*(2S)
Ne*(3S)→Ne*(2P)产生波长为632.8nm的激光
Ne*(3S)→Ne*(3P)产生波长为3.39um的激光
Ne*(2S)→Ne*(2P)产生波长为1.15um的激光
从理论上讲，这三种波长的激光都有可能发射，但我们可以采取一些方法去抑制其中的两种，而使我们所需要的一种波长的激光得到输出。632.8nm（红光）因输出为可见波段的激光，实际应用较广泛。
