CO₂激光器是一种混合气体激光器，以CO₂、N和He的混合气体作为工作物质。激光跃迁发生在CO₂分子的电子基态的两个振动转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激励效率。He的作用是有助于激光下能级的抽空。后两者的作用都是增强激光的输出。
在CO₂分子已有的200条谱线中，最强的为这两组：激光上能级00°1一下能级10°0和激光上能级00°1→下能级020辐射的10.5和9.5m潜线。
由于CO₂分子各能级的自发辐射寿命都较长，激光上能级粒子的自发辐射寿命比下能级粒子的寿命短，因此，用纯CO₂分子产生激光输出的功率较小，必须加人各种辅助气体，才能有利于提高激光的输出功率。
与固体激光器采用光激励方式不同，气体激光器一般采用电激励方式实现粒子数反转。将CO₂分子激发到上能级00°1可采用以下方式：
（1)电子直接碰撞。具有一定能量的电子与基态（00°0能级）CO₂分子发生非弹性碰撞，使其直接激发到上能级00°1.这一过程表示为：
CO₂(00°0)+e→CO₂(00°1)+e
由于CO₂分子的00°1离基态较近。因此可以有相当多的电子对其进行激发。
（2)级联跃迁。电子与基态CO₂分子碰撞，使其跃迁到0O°n能级。基态CO₂分子与高能级CO₂分子碰撞后跃迁到激光上能级。这一过程表示为：
CO₂(00°0)+CO₂(00°n)-CO₂(00°1)+CO₂(00°n-1)
（3)共振转移。基态N2分子（γ=1)和电子碰撞后跃迁到的y=0的寿命较长的亚稳态振动能级，因而可积累较多的N₂分子。基态CO₂分子和亚稳态N₂分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级。这一过程表示为：
CO₂(00°0)+N₂(γ=1)→CO₂(00°1)+N₂(γ=0)
因为CO₂分子00°1能级与N₂分子能级γ=1十分接近。能量转移非常迅速。另外，N₂分子的γ=2~4能级与CO₂分子00°2~00°4能级也十分接近。相互间也可以辐射共振转移，处于00°2~00°4能级的CO₂分子与基态CO₂分子碰撞可以将其激励到00°1能级。
（4)复合激发。在气体放电过程中，能量大于2.8eV的电子碰撞CO₂分子，能使其分解为CO和O,同时，分解了的CO和O也可以复合，所释放的复合能可以使CO₂分子由00°0能级跃迁到00°1能级，但这种过程的作用比前三种过程要小得多。
CO₂分子激光跃迁下能级的抽空，主要依靠分子间的碰撞。在10°0和020能级的CO₂分子与基态CO₂分子碰撞后跃迁到01¹0能级，这一过程的概率很高。而01¹0能级的CO₂分子与基态CO₂分子碰撞后返回基态的概率很小，这样就使01¹0能级像一个瓶颈，下能级的抽空受到阻塞。为此，在放电管中充一定比例的He气，使基态He原子与01¹0能级的CO₂分子碰撞，大大缩短该能级的寿命，也缩短了激光跃迁下能级的寿命。He气的热导率较高，可加速热量向管壁的传递，降低放电空间气体的温度，使激光跃迁下能级的粒子数密度减小。有利于激光的形成。
