CO2激光器是采用混合气体作为增益介质，其中包括二氧化碳，氦气，氮气以及可能包含一些氢气，水蒸气和氙气。这种激光器是由气体放电进行电学泵浦，可以采用直流电流，交流电流或者射频范围。氮分子由放电电流激发到亚稳态，然后与CO2分子发生碰撞时将能量转移给它。氦气可以使低能态粒子数减少，并且能够消除产生的热。其它的组分，例如氢气和水蒸气可以使一氧化碳重新氧化成二氧化碳。
图1：二氧化碳激光器的示意图。气体管具有布儒斯特窗口，并且进行了水冷处理。
CO2激光器通常辐射光的波长为10.6μm，但是在9-11μm期间（尤其是9.6μm）还有其它的辐射线。大多数情况下，辐射光的功率在几十瓦到几千瓦之间。功率转化效率能大于10%，即比大多数固态激光器要高，但是比二极管泵浦激光器低。
激光器类型
CO2激光器中包含多个类型：
激光器功率在几瓦特到几百瓦特，常采用封闭管或者无流量激光器，其中气体在封闭管内。这种激光器体积很小并且结构稳定，寿命可以达到几千小时。
高功率扩散冷却平板激光器中，气体在一对平板水冷射频电极的缝隙之间。如果电极间隙与电极宽度相比很小，产生的热会有效的通过扩散转到到电极。输出功率可以达到几千瓦。
快速轴向流动激光器和快速横向流动激光器也可以产生几千瓦的输出功率。快速流动的气体混合物会带走额外的热能，在被气体放电重新利用之前会经过外置的冷却装置。
横向激励气体(TEA)激光器具有很高的气压。由于纵向放电所需的电压很高，可以在管子中采用一系列电极进行横向激励。TEA激光只能工作于脉冲模式，因为气体放电在高电压时不稳定。它们通常产生的平均输出功率小于100W，但是有时也可以得到几十千瓦的光功率。
还有气体动力学CO2激光器可以产生即兆瓦的功率，其中能量不由气体放电提供，而是由一种火箭引擎中的化学反应提供。
以上的这些概念的差别主要在除热技术，气压和采用的电极结构上。在低功率封闭管激光器中，多余的热通过扩散或者慢的气流转移到管壁。光束质量很高。高功率的CO2激光器采用快速的强制气体对流，可以在轴向或者横向。
应用
CO2激光器广泛应用于材料加工行业，尤其是：
切割塑料材料，木制品，刀模等，在10.6μm处具有很强的吸收，需要功率在20-200W
切割和焊接金属，例如不锈钢，铝或铜，需要几千瓦功率
在各种材料上进行激光打标
还有其它的应用包括激光手术和测距。
CO2激光器在材料加工方面与工作在1μm波长的固态激光器形成竞争。波长更短的优势在于会被金属台更好的吸收，并且可以通过光纤光缆传输光束。（没有光纤可以传输高功率10μm激光光束。）1-μm激光器具有更小的光束参数乘积也是有利的。但是，后者通常很难在高功率灯泵浦激光器得到，而二极管泵浦激光器则非常昂贵。基于以上原因，CO2激光器仍然广泛应用于切割和焊接领域中，尤其是部件厚度大于几毫米时，它们的销量占整个激光器销量的10%还多（2013年）。未来，由于高功率薄片激光器的发展以及光纤光缆的技术提高，这种格局可能会有变化。
由于激光器具有很高的功率和需要很高的驱动电压，因此存在很严重的激光安全问题。但是，它们工作波长很长，因此在低光强时是相对人眼安全的。
