CO2激光器是工作原理及其受激发射过程较复杂。分子有3种不同的运动：
一是分子里电子的运动，其运动确定了分子的电子能态；
二是分子里的原子振动运动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动，并决定分子的振动能态；
三是分子转动，即以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。分子运动及其复杂，因而能级也很复杂。
CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。