لیزر وسیلهای برای تولیدی پرتوی تکفام و همدوس در نواحی نور فرابنفش ، مرئی و یا فروسرخ از طیف امواج الکترومغناطیسی است. کلمه لیزر در حقیقت از حروف اول کلمههای عبارت انگلیسی زیر گرفته شده است:
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
این عبارت به معنی "تقویت نور با روش گسیل الفایی تابش" گرفته شده است، که همه آنها اصطلاحهایی فیزیکی هستند. از آنجا که باریکه نور لیزر همدوس است (یعنی امواج آن همفاز هستند و به عبارت دیگر مانند سربازانی هستند که باهم پا میکوبند، با واگرایی بسیار کم پیش میرود و مانند نور معمولی نبوده و کمتر پخش میشود) و در نتیجه چگالی و یا تراکم آن در فضا ثابت میباشد. پرتو لیزر همچنین مزیت تمرکز زیاد انرژی در واحد سطح را دارد.
اتمها در حالتهای گسستهای از انرژی وجود دارند. وقتی یک اتم که در حالت پایه (پایینترین حالت انرژی) است انرژی جذب کند، به حالت انرژی برانگیختهای صعود میکند. به دنبال آن در بازگشت به حالت پایه چه بطور مستقیم و چه از طریق حالتهای انرژی میانی ، فوتونهای تابشی با بسامد و طول موجی گسیل میدارد که بستگی به اختلاف انرژی بین حالتهای انرژی "شبه پایدار" میباشند.گسیل فوتون از اتمها در حالتهای انرژی شبه پایدار گاه به تأخیر میافتد تا در نهایت به گسیل تابش فلورسنانسی یا فسفرسانسی منجر شود.
لیزر دی اکسیدکربن (CO2) نمونهای از یک لیزر گاز مولکولی پر قدرت است. باریکه خروجی وقتی کانونی شود میتواند صفحات الماس و فولاد ضخیم را در عرض چند ثانیه برش دهد. نمودار تراز انرژی یک گاز مولکولی بطور قابل توجهی پیچیدهتر از آن برای یک اتم است. حالتهای انرژی مه قبلا توضیح داده شده بصورت ترازها منجر به گسیل نور مرئی میشوند. هر تراز الکترونی در یک مولکول گاز بطور کلی دارای زیر ترازهایی مربوط به ارتعاشات مجاز ملکولی میباشد و هر یک از این ترازهای ارتعاشی نیز زیر ترازهایی بر اساس دوران مجاز مولکولی دارند.
عملکرد لیزر از طریق گذارهای بین ترازهای ارتعاشی - دورانی مختلف امکان پذیر میشود و تابش خروجی به صورت فرو سرخ (فوتونهای کم انرژی) میباشد. لیزر CO2 با استفاده از این نوع گذار یک باریکه خروجی مثلا به طول موج 10.6 میکرومتر در عملکرد موج پیوسته (CW) میدهد. طراحی لیزر ، CO2 شبیه He - Ne است، با این تفاوت که مخلوط گاز (9% دی اکسید کربن ، 15% نیتروژن ، 76% هلیوم) پیوسته و بطور یکنواخت از داخل لوله عبور میکند. پمپ کردن این لیزر مانند لیزر هلیوم- نئون با برانگیزش dc انجام میگیرد. لوله را باید خنک کرد، این کار معمولا با جریان آب بطور یکنواخت از میان یک پوشش به دور لوله صورت می گیرد.
عمل لیزر کنندگی در لیزر CO2 بواسطه انتقال انرژی از اتمهای نیتروژن برانگیخته به ترازهای انرژی مجاور مولکولهای CO2 صورت میگیرد. بهره توان بالای لیزر CO2 (حدود 15%) به دلیل پایین قرار داشتن حالتهای انرژی ارتعاشی و دورانی دی اکسیدکربن که انرژی کمی برای برانگیختگی لازم دارند. با قرار دادن یک Q - سوئیچ میتوان لیزر CO2 را از عملکرد موج پیوته به عملکرد پالسی (ضربهای) تبدیل کرد. با استفاده از این شیوه یک لیزر 100 واتی CW میتواند پالسهای 100 کیلو واتی در عرض 150 نانو ثانیه و با 400 پالس در ثانیه ایجاد کند.
لیزر CO2 نمونهای از یک نوع طیفی غنی از منبع انرژی است، زیرا تعداد بسیار زیادی از انتقالهای لیزری امکان پذیر میباشند. لیزرهای با چنین مشخصهای را لیزرهای قابل تنظیم میگویند. لیزرهای CO2 جدید بعضا روی بیش از 85 طول موج مختلف قابل تنظیم هستند. تنظیم ممکن است با شیوه خوش ساختی از طیف نگار "لیترو" که در آن از یک منشور و یا از یک توری پراش برای پراکندگی استفاده میشود، انجام گیرد. در یک انتهای لیزر ، منشور تمام نقره اندودی که قابل چرخش است قرار دارد و نور را طوری پراکنده (پاشنده) میکند که فقط خط طیف با محور لیزر هم خط میشود و به دنبال آن تقویت میگردد و امواج ایستاده بجای میگذارد.