CO2激光器的主要特點是輸出功率大、能量轉換效率高、輸出波長(10.6um)正好處于大氣窗口，故廣泛用于激光加工、醫療、大氣通信及其他軍事應用。CO2激光器以CO2、N2和He的混和氣體為工作物質。激光躍遷發生在CO2分子的電子基態的兩個振動轉動能級之間。N2 的作用是提高激光上能級的激勵效率,He則有助于擊鼓那個下能級的抽空。

CO2激光器中有三個過程將CO2分子激發:直接電子碰撞、級聯躍遷和共振轉移,其中共振轉移的概率最大，作用也最為顯著。CO2 分子激光躍遷下能級的抽空主要依靠氣體分子間的碰撞。輻射波長較長使CO2激光躍遷能級間的自發輻射譜線具有較小的多普勒加寬，在溫度為400K 時Ovb≈60MHz。碰撞加寬不可忽視，在高氣壓情況下，碰撞加寬可占主導地位。

CO2激光器的諧振腔大多采用平凹腔，由于其增益高，也可采用非穩腔以增加其模體積。高反射鏡可用金屬制成，也可在玻璃表面鍍以金膜,輸出端可采用小孔耦合方式或由可透過紅外光的Ge、GaAs等材料制成輸出窗。CO2激光器工作氣壓不同，譜線線型也不同，輸出功率與譜線增寬性質有關。當氣壓P<2X10 Pa時，譜線為非均勻增寬和綜合增寬，當P>2X10'Pa時,線型為均勻增寬。對中小功率CO2激光器,影響其輸出功率的因素有:注人功率、放電管尺寸、放電參數和氣體溫度。

CO2激光器可分為七類:縱向慢流CO2激光器、封離型CO2激光器、縱向快流CO2激光器、橫向流動CO2激光器、橫向激勵大氣壓CO2激光器、氣動CO2激光器和波導CO2激光器。