霓虹灯是一种冷阴极气体放电灯，它内部充有一些低气压的气体，通过气体电离来发出光，那么，霓虹灯里到底充的是什么气体呢？
据了解，霓虹灯内部一般都充有稀有气体，不同气体发出的光的颜色也不同。世界上最早的霓虹灯就是充的氖气，这也是霓虹灯名称的由来(neon在英文中音译为neon)。后来发现其他稀有气体填充进去也能发光。比如氩可以发出淡蓝色的光，氦可以发出淡红色的光。有的霓虹灯会充入氖、氩、氦、汞蒸气等四种气体(三种或两种)的混合物，通过改变各种气体的相对含量，可以制成五颜六色的霓虹灯。
霓虹灯充满稀有气体，它通过电离稀有气体来发光。具体的发光原理是:当连接外部电源电路时，变压器的输出会产生高电压。当这种高电压加在氖管两端的电极上时，氖管中的带电粒子在高压电场中加速，飞向电极，可以被激发产生大量电子。这些被激发的电子在高压电场中加速，并与灯管中的气体原子碰撞。当这些电子与自由气体原子碰撞的能量足够大时，气体原子可以电离成正离子和电子，这就是气体电离现象。带电粒子与气体原子碰撞时，多余的能量以光子的形式发射出去，完成了霓虹灯照明的全过程。
其实，稀有气体用于霓虹灯中并不发生化学变化，而是物理性质的变化，稀有气体原子核外不同电子层上的电子具有不同的能级，当电子在不同能级跃迁时会发光，而原子在特定两个能级之间跃迁所发出的光具有相同的频率，所以会有相同的颜色。稀有气体的特点是几乎不与其他物质发生反应，极难形成化学键，这是它们被做成霓虹灯的关键。