二氧化碳激光是一种分子激光。主要的物质是二氧化碳分子。它能够表现多种能量状态这要视其震动和旋转的形态而定。根本的能量网状见二氧化碳里的混合气体是由于电子释放而形成的低压气体（通常30-50托）构成的等离子。

　　在等离子里，分子呈现多种兴奋状态。一些会呈现高能态（00o1）其表现为不对称摆动状态。当与空心墙碰撞或者自然分发，这种分子也会偶尔的丧失能量。经过自然分发这种高能状态会降落到对称摆动形态（10o0）以及放射出可能传播到任何方向的光子（一种波长10.6μm的光束）。偶尔的，这种光子的一种会沿着光轴的腔向下传播也将在共鸣镜里摆动。

　　二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。放电管通常是由玻璃或石英资料制成，里面充以CO2气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮气，普通还有少量的氢或氙气）；电极普通是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化镓磨制的局部反射镜。

　　当在电极上加高电压（普通是直流的或低频交流的），放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有激光输出，其波长为10.6微米左近的中红外波段；普通较好的管子。一米长左右的放电区可得到连续输出功率40~60瓦。CO2激光器是一种比拟重要的气体激光器。