CO2激光管组成结构
典型的封离式CO2激光管基本结构如上图所示，主要由硬质玻璃、谐振腔、电极三部分组成。
1. 硬质玻璃部分
本部件由GG17料烧制成放电管、水冷管、储气管和回气管而组成，其中放电管是CO2 激光器中关键的部件，它基本上决定了激光输出的特性，放电管长度与输出功率成正比。水冷管的作用是冷却工作气体，维持输出功率稳定，而且防止在放电泵浦过程中，放电管因受热炸裂。储气管的作用一方面增加了增益介质的储气量，减少放电过程中工作气体成分和压力的变化，延长运转寿命，另一方面又增强了放电管的机械强度和稳定性。回气管是连接放电管中两电极空间的细螺旋管，可以改善由电泳现象造成的极间电压的不平衡分布，较长的回气管还避免了储气罐与电极之间产生放电作用，确保放电只发生在放电管中。
2. 谐振腔部分
本部件由全反镜和输出反射镜组成。谐振腔的全反镜一般以光学玻璃为基底，表面渡金膜，金膜反射镜在 10.6um 附近的反射率达98%以上；谐振腔的输出反射镜一般采用能透射 10.6um 辐射的红外线材料锗(Ge)为基底,在上面渡上多层介质膜而制成。
3. 电极部分
CO2 激光器一般采用冷阴极，形状为圆筒形，阴极材料选用对激光器的寿命有很大的影响； 对阴极材料的基本要求是：溅射率低，气体吸收率小。
CO2激光管工作原理
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。根据分子振动理论，CO2有三种不同的振动方式：
1.两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
2.两个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，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。
3.三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。
能量水平图
二氧化碳激光是一种分子激光。主要的物质是二氧化碳分子。它可以表现多种能量状态这要视其震动和旋转的形态而定。基本的能量网状见图1。二氧化碳里的混合气体是由于电子释放而造成的低压气体(通常30-50托)形成的等离子(电浆)。如麦克斯韦-波尔兹曼分布定律所说，在等离子里，分子呈现多种兴奋状态。一些会呈现高能态(00o1)其表现为不对称摆动状态。当与空心墙碰撞或者自然散发，这种分子也会偶然的丢失能量。通过自然散发这种高能状态会下降到对称摆动形态(10o0)以及放射出可能传播到任何方向的光子(一种波长10.6μm的光束)。偶然的，这种光子的一种会沿着光轴的腔向下传播也将在共鸣镜里摆动。
激发过程
CO2激光管中，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。有了氦气，可以加速010能级热弛预过程，更有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO2激光管中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累以及大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。 CO2激光管的激发条件：放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。
注：部分图文来源于网络
