普通的封离式CO₂激光器包括腔片架、放电管、电极和电源等几部分。图（1）是一种典型的结构示意图。构成CO₂激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。全反射镜为凹面镜，输出反射镜一般为平面镜，采用能透过10.6mm激光的红外材料制成。通常用的红外材料有两类：一类是碱金属的卤化物盐，例如，KCl、NaCl、KBr等晶体；另一类是半导体材料，如锗、硅、砷化镓等。

图（1） 封离式CO₂激光器结构示意图

1.平面反射镜  2. 阴极  3.水冷管  4.储气管#p#分页标题#e#  5.阳极

CO₂激光器的放电管多采用硬质玻璃制成，小型CO₂激光器的放电管孔径一般是4~8mm，输出功率大的孔径通常在10mm以上。水冷套管放在储气管内部，使得支撑谐振腔外管的内径很大，既可储存大量气体，又具有很好的机械稳定性。CO₂激光器中设置的回气管可以将放电管的阴极和阳极空间连通，保证气体分布均匀，压强平衡。

CO₂激光器中与产生激光有关的CO₂分子能级图如图（2）所示。由图可见，相应于10.6mm波长的能级跃迁是(00⁰1)® (10⁰0)，相应于9.6mm 波长的能级跃迁是#p#分页标题#e#(00⁰1) ®(02⁰0)。CO₂激光器的工作气体除CO₂气体外，还有适量的辅助气体N₂和He等。充入He气的作用有二：一可加速CO₂分子在((00⁰1)能级的热驰豫速率，有利于激光下能级上的粒子数抽空；二可利用He气导热系数大的特点，实现有效地传热。充入N₂气的作用是提高CO₂分子的泵浦速率，为CO₂激光器高效运转提供可靠的保证。

图（2） 与产生激光有关的CO₂分子能级图

当CO₂激光器进行气体放电时，一部分高速电子直接碰撞CO₂分子，使其由基态跃迁到激发态#p#分页标题#e#(00⁰l)上，另一部分高速电子与N₂分子碰撞，使其由基态（V＝0）激发到高能态(V＝1)上(N₂分子的相应能级已表示在图（2）中)。由于N₂分子的激发态(V＝1)与CO₂分子的(00⁰1)能级非常接近，很容易通过共振能量转移过程将基态CO₂分子激励到(00⁰1)能级上。于是，通过上述两种过程，有效地实现了CO₂分子在(00⁰1)能级上的粒子数积累，一旦实现(00⁰1)与(10⁰0)、(02⁰0)之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产生#p#分页标题#e#10.6mm和9.6mm两种波长的激光。

由CO₂分子能级跃迁图可见，10.6mm和9.6mm两条谱线有共同的激光上能级(00⁰1)，因此在它们之间将产生强烈的谱线竞争。由于相应于10.6mm波长的跃迁几率比9.6mm大，所以通常CO₂激光器的输出激光波长为#p#分页标题#e#10.6mm。