CO2是三原子结构的线性分子，它有三种振动方式，如图1.8所示。第一种叫做对称振动（如图1.8a所示），其对应的振动能量叫做对称振动能量，其能级相应地称为对称振动能级。第二种叫做反对称振动（如图1.8b所示），其对应的振动能量叫做反对称振动能量，其能级相应地被称为反对称振动能级。第三种叫做形变振动，又叫弯曲振动（如图1.8c及c,所示），这种振动有上下、前后两种形式，这种振动的能量叫做形变振动能量，能级被称为形变振动能级。

CO2分子有几个上能级，其中只有一个上能级在跃迁时可以产生波长为10.6μm的激光，我们不妨把这一能级叫做激光能级（属于反对称振动能级）。由于CO2分子的上能级寿命长，而且CO2激光器的激光能级与基态靠得很近，从而使它有高的效率、低的激励能量，并且很容易获得并积聚大量的受激分子，从而得到高功率、高效率的激光器。

建立CO2激光器能级间粒子数反转，把分子激发到高能级，一般有以下几个基本过程：

⒈电子直接激励：放电中具有一定动能的电子同处于基态的CO2分子碰撞，把分子从基态直接激发到激光能级。

⒉串级跃迁：处于比激光能级更高的其它反对称上能级也和基态能级有联系，因此动能较高的电子和基态的CO2分子相碰撞时，也能把分子激发到这些能级上去，在这些能级上的分子很容易跃迁到激光能级上来，这是因为它们都是反对称振动能级，而激光能级又是其中最低的一个。在较高能级的分子是不稳定的，它们总是力图向较低能级跃迁，因此在激光能级就会积聚大量的粒子，这就是所谓串级跃迁。

⒊谐振碰撞：处于更高反对称振动能级上的分子还可以通过与基态CO2分子的碰撞，把能量交给后者使其激发到激光能级，而自己成为低一级的反对称振动能级分子。这一类碰撞是谐振的，发生的几率很大，对增加激光能级的粒子数有很大的贡献。

⒋复合过程：在CO2分子放电过程中，有部分CO2分子分解为CO和O，同时也存在部分CO和O复合成CO2分子的过程，在它们复合时会把原来分解时吸收的能量放出，因此复合而成的CO2分子就会被这部分能量激发到激光能级。

以上这四种基本过程是CO2分子被激发到激光能级去的四条途径。另外，为实现粒子数反转以便产生受激辐射，还必须抽空下能级。

CO2激光器按激励方式可分为横向激励激光器、气动激光器、化学激励激光器、射频激励激光器，等等。