与其他分子激光器一样，CO2激光器的工作原理，即受激发过程也较复杂。分子有三种不同的运动：（1）分子闪电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；（2）分子内的原子振动，即分子内原子围绕其平衡位置不停地做周期性震动——它决定了分子的震动能态；（3）分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧。分子内的各院子始终运动着，要绕其平衡位置不停地震动。根据分子振动理论，CO2有三种不同的震动方式：1两个氧原子沿分子轴向相反方向振动，即两个氧原子在振动中同时达到振动的值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动；2两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动，由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动；3三个原子沿对轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动，这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。