普通的封離式CO₂激光器包括腔片架、放電管、電極和電源等幾部分。圖（1）是一種典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成CO₂激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡(jiǎn)單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。全反射鏡為凹面鏡，輸出反射鏡一般為平面鏡，采用能透過(guò)10.6mm激光的紅外材料制成。通常用的紅外材料有兩類(lèi)：一類(lèi)是堿金屬的鹵化物鹽，例如，KCl、NaCl、KBr等晶體；另一類(lèi)是半導(dǎo)體材料，如鍺、硅、砷化鎵等。

圖（1） 封離式CO₂激光器結(jié)構(gòu)示意圖

1.平面反射鏡  2. 陰極  3.水冷管  4.儲(chǔ)氣管#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#  5.陽(yáng)極

CO₂激光器的放電管多采用硬質(zhì)玻璃制成，小型CO₂激光器的放電管孔徑一般是4~8mm，輸出功率大的孔徑通常在10mm以上。水冷套管放在儲(chǔ)氣管內(nèi)部，使得支撐諧振腔外管的內(nèi)徑很大，既可儲(chǔ)存大量氣體，又具有很好的機(jī)械穩(wěn)定性。CO₂激光器中設(shè)置的回氣管可以將放電管的陰極和陽(yáng)極空間連通，保證氣體分布均勻，壓強(qiáng)平衡。

CO₂激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO₂分子能級(jí)圖如圖（2）所示。由圖可見(jiàn)，相應(yīng)于10.6mm波長(zhǎng)的能級(jí)躍遷是(00⁰1)® (10⁰0)，相應(yīng)于9.6mm 波長(zhǎng)的能級(jí)躍遷是#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#(00⁰1) ®(02⁰0)。CO₂激光器的工作氣體除CO₂氣體外，還有適量的輔助氣體N₂和He等。充入He氣的作用有二：一可加速CO₂分子在((00⁰1)能級(jí)的熱馳豫速率，有利于激光下能級(jí)上的粒子數(shù)抽空；二可利用He氣導(dǎo)熱系數(shù)大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)有效地傳熱。充入N₂氣的作用是提高CO₂分子的泵浦速率，為CO₂激光器高效運(yùn)轉(zhuǎn)提供可靠的保證。

圖（2） 與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO₂分子能級(jí)圖

當(dāng)CO₂激光器進(jìn)行氣體放電時(shí)，一部分高速電子直接碰撞CO₂分子，使其由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#(00⁰l)上，另一部分高速電子與N₂分子碰撞，使其由基態(tài)（V＝0）激發(fā)到高能態(tài)(V＝1)上(N₂分子的相應(yīng)能級(jí)已表示在圖（2）中)。由于N₂分子的激發(fā)態(tài)(V＝1)與CO₂分子的(00⁰1)能級(jí)非常接近，很容易通過(guò)共振能量轉(zhuǎn)移過(guò)程將基態(tài)CO₂分子激勵(lì)到(00⁰1)能級(jí)上。于是，通過(guò)上述兩種過(guò)程，有效地實(shí)現(xiàn)了CO₂分子在(00⁰1)能級(jí)上的粒子數(shù)積累，一旦實(shí)現(xiàn)(00⁰1)與(10⁰0)、(02⁰0)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即可通過(guò)受激輻射，產(chǎn)生#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#10.6mm和9.6mm兩種波長(zhǎng)的激光。

由CO₂分子能級(jí)躍遷圖可見(jiàn)，10.6mm和9.6mm兩條譜線有共同的激光上能級(jí)(00⁰1)，因此在它們之間將產(chǎn)生強(qiáng)烈的譜線競(jìng)爭(zhēng)。由于相應(yīng)于10.6mm波長(zhǎng)的躍遷幾率比9.6mm大，所以通常CO₂激光器的輸出激光波長(zhǎng)為#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#10.6mm。