與(yu) 其它分子激光器一樣，CO2激光器工作原理其受激發射過程也較複雜。分子有三種不同的運動，即分子裏電子的運動，其運動決(jue) 定了分子的電子能態；二是分子裏的原子振動，即分子裏原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動——並決(jue) 定於(yu) 分子的振動能態；三是分子轉動，即分子為(wei) 一整體(ti) 在空間連續地旋轉，分子的這種運動決(jue) 定了分子的轉動能態。分子運動極其複雜，因此能級也很複雜。
 
CO2激光器產(chan) 生激光：在放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時，放電管中的混合氣體(ti) 內(nei) 的氮分子由於(yu) 受到電子的撞擊而被激發起來。這時受到激發的氮分子便和CO2分子發生碰撞，N2分子把自己的能量傳(chuan) 遞給CO2分子，CO2分子從(cong) 低能級躍遷到高能級上形成粒子數反轉從(cong) 而產(chan) 生激光。