按躍遷機理，化學激光器可分為三種。
純轉動化學激光器
它是利用分子的同一振動能級中的轉動能級間的粒子數反轉，把轉動能變成相干輻射能的一類化學激光器。這種化學激光的輸出波長大于10微米，最長可達數百微米。雖然在化學激光研究的早期（1967）即已被發現，但受到重視則是70年代末。現在已發現的能夠產生純轉動化學激光的雙原子物有HF(DF）、HCI(DC1）、HO(DO）、HN。目前流行的看法認為在轉動能級間形成的粒子數反轉主要是由上振動能級到下振動能級之間的傳能造成的。已發現某些惰性氣體原子或雙原子分子特別有利于這種傳能，從而有利于實現純轉動化學激光。純轉動化學激光有可能用作激光分離同位素的選擇性激發能源。此外轉動化學激光的研究還可以提供傳能的信息。
振轉躍遷化學激光器
是利用元反應的分子產物或自由基產物的振動- 轉動能級上的粒子數反轉，把反應釋放的能量轉化成為相干輻射能的一類化學激光器。它是最早發現的一類化學激光器，迄今為止在化學激光中仍占有最重要的地位。已發現的激射物有 HF(DF）、HC1(DC1）、HBr(DBr）、HO(DO）、HCN、NO、CO、H2O、CO2等。這種激光的輸出波長主要是在2～10微米之間。抽運反應有以下幾種類型：①在雙分子反應中有利用氫原子提取分子中的鹵素原子或利用鹵素原子提取分子中的氫原子的反應，還有利用氧原子的氧化反應；②在單分子反應中有自由基 -自由基重合反應、消去反應、插入消去反應、加成消去反應、自由基-分子反應等多種類型；③在光化學反應中有光消去反應和光解離反應等。由于此種激光器可不用電能激勵并且其中的若干個效率較高，可研制成連續波或脈沖運轉的大能量或大功率激光器，所以它仍然是有希望的可攜帶的用于空間的激光武器的重要候選者。在微觀反應動力學研究中它是三種公認的較成熟的研究元化學反應產物初始振動能分布的方法之一（另兩種是紅外化學發光和激光誘導熒光）。
電子躍遷化學激光器
利用化學反應釋放的能量將激射介質泵到電子激發態，并達到粒子數反轉，然后受激發射產生激光。電子激發態能量受到化學鍵能的限制，只有3～4電子伏。如果電子激發態能量超過4電子伏，就必須借助于低能階電子激發態粒子與其他激發態粒子間的多次碰撞傳能才可能達到高能階電子激發態。 電子躍遷化學激光器的典型例子是氧- 碘傳能激光器。目前普遍采用的化學反應體系是用氫氧化鈉、氯和過氧化氫進行化學反應直接產生電子激發態氧O2(a′Δ）。它是禁戒躍遷態（自發發射壽命約45分鐘），實質上是一種貯能介質，必須將其能量傳遞給另一個激射介質，才能進行激射。被選中的激射介質是基態碘原子I（2P3/2），它與O2(a′Δ）通過共振傳能過程：O2(a′Δ）+I（2P3/2）─→O2(x3Σ）+I（2P┩）
得到電子激發態I（2P┩），然后受激發射產生1.315微米的碘激光。