与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂，因此能级也很复杂。

　　CO2激光器产生激光：在放电管中，通常输入几十 mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和 CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给 CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转从而产生激光。

　　如图 1 所示是为一种典型的 CO2激光器结构示意图。构成 CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。

　　基本结构：

　　① 激光管

　　激光器中最关键的部分。通常由三部分组成（如图 1所示）： 放电空间（放电管）、水冷套（管）、储气管。放电管通常由硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。它能够影响激光的输出以及激光输出的功率，放电管长度与输出功率成正比。

　　在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。

　　一般而言，放电管的粗细对对输出功率没有影响。

　　水冷套管的和放电管一样，都是由硬质玻璃制成。它的作用是冷却工作气体，使得输出功率稳定。

　　储气管与放电管的两端相连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通。它的作用是可以使气体在放电管中与中循环流动，放电管中的气体随时交换。

　　② 光学谐振腔

　　光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成，是 CO2激光器的重要组成部分。光学谐振腔通常有三个作用：控制光束的传播方向，提高单色性；选定模式；增长激活介质的工作长度。