Частотный спектр генерации СО2-лазера имеет достаточно сложный вид. Причиной этого является наличие тонкой структуры колебательных уровней, обусловленной существованием ещё одной степени свободы молекулы СО2 – вращения. Из-за вращения молекулы каждый изображённый на рис. 7 колебательный уровень распадается на большое количество вращательных подуровней, характеризуемых квантовым числом j и отстоящих друг от друга на величину энергии Deвр, e001, e100, kTr. В результате интенсивного обмена энергий между вращательной и поступательной степенями свободы устанавливается больцмановское распределение частиц по вращательным состояниям, описываемое уравнением , где Nn , Nn,j – концентрации возбужденных частиц на колебательном уровне n и на его вращательных подуровнях j; = 0,38 см-1 – вращательная константа. Согласно правилам отбора в молекуле СО2 переходы между двумя различными колебательными уровнями возможны при изменении вращательного квантового числа на 1 т.е. Dj=±1. Таким образом, линия усиления рабочей среды состоит из большого числа линий, каждая из которых уширена за счёт эффекта Доплера на величину и за счёт столкновений на величину и для СО2-лазера вычисляются :

, где рi – парциальные давления компонент смеси.

Коэффициент усиления активной среды СО2-лазера существенно зависит от температуры рабочей смеси Тг. Процессы накачки лазерной смеси и генерации неизменно сопровождается нагревом газа. Температура лазерной смеси Тг в установившемся состоянии пропорциональна мощности энерговыделения в разряде, т.е. Тг~jE. В отсутствие генерации заселенность верхнего лазерного уровня также пропорциональна jE. Поэтому если время столкновительной релаксации не зависит от температуры газа и N001~Тг, учёт возрастания с ростом Тг лишь ослабит зависимость N001(Тг) (пунктирная линия). Заселённость нижнего лазерного уровня находится в равновесии с основным и описывается законом Больцмана N100~. В связи с этим при достижении некоторой критической температуры Тmax инверсная заселённость лазерной смеси исчезает. Максимальная инверсия достигается при оптимальных температурах смеси Торt. Для смеси с cг»1,5*10-1 Вт/(м*К), Тстенки»300К зависимость населённости лазерных уровней от температуры показана на рис. 8. Типичные значения Тopt~400 .500К, Тмах~700 .800К.

Под действием электронных ударов и в результате столкновений возбуждённых молекул в тлеющем разряде в СО2-лазерах происходит частичная диссоциация углекислого газа СО2 ® СО + О. Отношение концентраций СО к СО2 может достигать ~12%, содержание О2 – 0,8%. Из-за этого при сохраняющемся энерговкладе возрастают потери на диссоциацию, возбуждение электронных состояний и возбуждение колебаний СО и О2. Поэтому населённость верхнего рабочего уровня СО2 падает и коэффициент усиления уменьшается. Поскольку ресурс работы СО2-лазера, определенный требованиями экономичности установки, оценивается несколькими сотнями часов, а существенный рост доли СО и О2 определяется минутами, необходимо включение в контур регенератора, в котором частично восстанавливается рабочая смесь. В диффузионном СО2-лазере целесообразно применение цеолита (SiO4+AlO4) в количестве 20мг, насыщенного парами H2O.