亚稳态氦激光雷达利用200-1000km大气中本来就存在的亚稳态氦原子作为“示踪物”，从地面发射高能量的激光，激光传输到这个高度以后，能够激发亚稳态氦原子的荧光，荧光是向各个方向均匀的发射出来，这其中只有一小部分沿着垂直方向严格向下传输的荧光，能够被地面的望远镜接收到。通过接收到的能量大小，就可以计算得到大气中亚稳态氦原子的密度，再通过理论模型，进一步推算出大气基态氦原子的密度。进一步，通过微调激光频率，可以获得荧光的光谱信息，从其中提取出热层大气温度和风场。