После демобилизации Александр Михайлович возвратился в институт им. П. Н. Лебедева, где решил продолжить свои довоенные исследования. Он был первым аспирантом института, вернувшимся живым с фронта.
Новым руководителем Прохорова стал доктор наук Сергей Михайлович Рытов. Именно он помог Александру активно включиться в актуальные исследования.
Будущий ученый начал исследовать нелинейные колебания. Он занимался теоретическими расчетами по теме «Стабилизация частоты лампового генератора в теории малого параметра». Эти работы легли в основу его кандидатской диссертации, посвященной теории нелинейных колебаний, которую он защитил в 1946 году.
В 1947 году Прохоров начал изучать движение частиц в синхротроне. Молодому ученому передали в распоряжение первый бетатрон, построенный в Советском Союзе П. А. Черенковым. Александр Михайлович вместе с сотрудниками перевел его в режим синхротронного ускорения для изучения синхротронного излучения в области сантиметровых радиоволн.
В результате серии тонких экспериментов с синхротронным излучением Прохоров доказал возможность использования его в качестве источника когерентного излучения в сантиметровом диапазоне длин волн. Также ученый определил уровень мощности и основные характеристики источника, предложил метод определения размеров электронных сгустков.
В январе 1948 года Прохорову вместе с другими работниками лаборатории была присуждена премия имени Л. И. Мандельштама. Среди работ, отмеченных АН СССР, были и исследования, которыми серьезно занимался Прохоров, а именно «К теории стабилизации частоты ламповых генераторов», «Стабилизация частоты в теории малого параметра» и «О теории стабилизации частоты».
12 ноября 1951 года Александр Михайлович успешно защитил докторскую диссертацию, в основу которой легли последние исследования ученого по изучению синхротронного излучения, и был удостоен степени доктора физико-математических наук.
Наука в СССР в то время начала развиваться семимильными шагами. Лаборатория, в которой работал Прохоров, занималась уже целым рядом различных научных вопросов, наиболее популярным из которых стала радиоастрономия. Еще в 1948 году Александр Михайлович начал серию первых в СССР исследований в радиоспектроскопии, предполагая точно определить структуры молекул.
В 1950 году молодого ученого назначают заместителем директора лаборатории колебаний. В лаборатории появляются новые ученые с уже известными в науке именами. В это время Прохоров организовывает группу молодых физиков, вместе с которой позже совершит ряд известных открытий. А после ухода в 1954 году руководителя лаборатории академика М. А. Леонтовича в Институт атомной энергии он становится заведующим лабораторией. В это время почти все научные работы Прохорова касались радиоспектроскопии.
В лаборатории Александра Михайловича вели свои научные исследования лучшие физики СССР. Поскольку число направлений все время расширялось, в лабораторию стремились попасть многие молодые перспективные ученые. Используя передовые методики, команда Прохорова провела ряд важных фундаментальных исследований, в результате чего лаборатория колебаний стала «пилотной» лабораторией в СССР в области радиоспектроскопии. С помощью точных приборов Прохоров с сотрудниками изучил вращательные и колебательные спектры молекул, в частности так называемых асимметричных волчков, обладающих тремя различными моментами инерции.
Кроме спектроскопических исследований Александр Михайлович занимался различными теоретическими вопросами, среди которых можно выделить задачу стабилизации частоты источников излучения СВЧ-диапазона. Он исследовал применение микроволновых спектров поглощения для усовершенствования эталонов частоты и времени. В это время ученый начал свое сотрудничество с Николаем Геннадиевичем Басовым.
Можно с уверенностью сказать, что эта работа стала первым шагом в создании новой области физики – квантовой электроники.
Совместное сотрудничество ученые вели в течение десяти лет, совершив одно из самых важных открытий физики XX века – создав лазер. Предыстория этого открытия описана в очерке «Николай Геннадиевич Басов».
Детально проанализировав работы Эйнштейна и других ученых, посвященные исследованию испускания и поглощения излучения молекулами, Прохоров и Басов изобрели метод усиления поступающего излучения. В своих опытах советские физики использовали неоднородные электрические и магнитные поля, с помощью которых выделяли возбужденные молекулы. После этого облучали вещество излучением специальной частоты, фотоны которого имели энергию, равную разности возбужденного и основного состояния молекулы. В итоге возникало индуцированное излучение той же частоты, которое усиливало подающий сигнал.
В начале 1952 года Прохоров вместе с Басовым начал разработку молекулярного генератора, который не только усиливал возбудимость молекул, но и генерировал излучение с частотой, которая точно определялась энергетическими уровнями молекул.
На Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии в мае 1952 года ученые представили первые результаты своих теоретических исследований и разработанную на их основе конструкцию оптического квантового генератора (ОКГ).
В своей первой научной статье на эту тему в октябре 1954 года Прохоров и Басов предложили эффективный и универсальный метод перевода вещества в состояние, необходимое для усиления излучения. Они разработали трехуровневую схему перевода атомов из основного состояния на наиболее высокий из трех энергетических уровней, при котором на промежуточном уровне размещалось больше молекул, чем на нижнем. В результате можно было получить индуцированное излучение с частотой, которая соответствовала разности энергий между двумя более низкими уровнями.
Но еще в 1953 году, за десять месяцев до известной статьи Прохорова и Басова по молекулярным генераторам, американский физик Чарлз Таунс создал работающий молекулярный осциллятор, который назвал мазером (по начальным буквам английского выражения «microwave amplification by stimulated emisson of radiation» – микроволновое усиление с помощью стимулированного излучения). В результате своих экспериментов он достиг огромного усиления микроволн с частотой в 24 000 мегагерц.
Позже, в период с 1955 по 1956 год, советским физикам удалось создать принципиально новые малошумные квантовые усилители и генераторы радиочастотного диапазона (мазеры), первым из которых стал мазер на основе молекул аммиака.
После успешного завершения цикла работ по созданию мазеров ученые начали интересоваться вопросами создания лазеров оптического диапазона. Основной проблемой при распространении принципов и методов радиофизики и квантовой электроники на оптический диапазон частот была резко возрастающая вероятность спонтанных переходов. Еще в 1955 году ученые предложили использовать так называемый метод трех уровней, который сейчас лежит в основе работы всех лазеров с оптической накачкой. Этот метод подходил для любых многоуровневых систем, независимо от величины энергии кванта.
