氦氖激光器工作原理是氖原子，不同能級的受激輻射躍遷將產生不同波長的激光，主要有632.8nm、1.15um和3.39um三個波長。氦原子有兩個亞穩態能級21S0、23S1，它們的壽命分別為5×10-6s和10-4s，在氣體放電管中，在電場中加速獲得一定動能的電子與氦原子碰撞，并將氦原子激發到21S0、23S1，此兩能級壽命長容易積累粒子。
原子能量的增加（或減少），不是爬坡式的漸變，而是階梯式的躍變。即由一個能態跳到另一能態，稍事停留，再進一步躍遷。這些“階梯”，在一定條件下，能量值是固定的，稱為能級。原子在特定的兩能級間躍遷，輻射的光子頻率是固定的。
如氖原子從2S能級躍遷到2P能級時，會輻射波長1.15微米的光波（2S、2P為能級符號，不代表能量值）。
純氖氣的這種自發輻射效率極低。因為每個原子所受的碰撞不同，會躍遷到許多不同的能級，2S能級只是其中之一，只有少數原子處于這一狀態。其它能級的原子向基態躍遷時，幅射的大都是紅外光波。