Результатом сотрудничества Басова и Вула стало создание в этом же году первого полупроводникового лазера на основе арсенида галлия (GaAs). Эти работы стали продолжением исследований Басова по возбуждению полупроводниковых лазеров, начатых еще в 1961 году.
В том же 1963 году Басов принял активное участие в проектах по оптоэлектронике. Результатом его работ стало создание быстродействующих элементов на основе диодных лазеров.
В следующем году гениальный советский ученый вместе с О. В. Богданкевичем и А. Н. Девятковым разработал полупроводниковый лазер с электронной накачкой. В последующих исследованиях Н. Г. Басов совместно с А. 3. Грасюком и В. А. Катулиным разработал полупроводниковый лазер с оптической накачкой при одно– и двухквантовом поглощении возбуждающего лазерного излучения.
В 1964 году «за фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на лазерно-мазерном принципе» Басов был удостоен Нобелевской премии по физике. Николай Геннадиевич получил четверть денежного приза. Еще четверть досталась Александру Михайловичу Прохорову и половина приза – Чарлзу Таунсу, представителю Массачусетсского технологического института (США), которые также стали лауреатами Нобелевской премии по физике в этом году.
11 декабря 1964 года Басов прочел свою известную нобелевскую лекцию «Полупроводниковые лазеры». В ней ученый указал способы использования полупроводниковых лазеров в науке и технике.
После получения высокой награды Басов продолжил свои плодотворные исследования. Учитель и многолетний сотрудник Николая Басова академик Александр Прохоров отметил, что после получения Нобелевской премии Басов, его талантливейший ученик, значительно вырос в научном плане, успешно развивал новое перспективное направление «лазерный термояд».
В 1968 году нобелевский лауреат вместе с П. Г. Крюковым и Ю. В. Сенатским сконструировал лазер на неодимовом стекле, который выдавал 30 джоулей при импульсе длительностью 20 пикосекунд. В этом же году Николай Геннадиевич совместно с П. Г. Крюковым, Ю. В. Сенатским и С. Д. Захаровым обнаружил эмиссию электронов дейтериевой плазмой, полученной с помощью лазера.
В своих последующих работах ученый вместе с В. С. Летоховым предложил теорию формирования пикосекундных импульсов, а с А. Н. Ораевским – способ термической накачки. Эти исследования привели к созданию газодинамических лазеров.
В известной статье «Получение отрицательных температур методом нагрева и охлаждения системы» Басов (совместно с Ораевским) подробно обосновал получение инверсной населенности при термической накачке. Спустя некоторое время ученый начал серию работ по импульсным фотодиссоционным лазерам и лазерам на основе вынужденного комбинационного рассеяния.
В 1970-х годах Басов продолжал работать над химическими лазерами. В своей лаборатории ученому удалось создать первый эксимерный лазер. Он построил лазер на смеси дейтерия, фтора и диоксида углерода.
В 1971 году под его руководством был создан первый электро-ионизационный лазер на углекислом газе.
В конце 1970-х годов знаменитый ученый вместе с Е. П. Маркиным, А. Н. Ораевским и А. В. Панкратовым представил экспериментальные доказательства ускорения химических реакций инфракрасным лазерным излучением.
Басов был заядлым тружеником и все свое время посвящал науке. Он очень переживал за развитие науки в стране. Из-под его пера вышли различные обзорные и популярные статьи по разным областям физики. Всеми своими действиями ученый старался популяризировать физику в широких кругах общественности.
Многие ученики Басова стали впоследствии профессорами, докторами наук и лауреатами различных премий. Ученого можно назвать создателем целой научной школы, из которой вышло более 60 докторов и 300 кандидатов наук.
Главным вкладом Басова в мировую науку явились его работы в области квантовой электроники. Знаменитый ученый стал лидером и пионером развития и конструирования лазерной техники.
Кроме того, Николай Геннадиевич четко определил главную тенденцию развития лазерной техники – создание мощных высокоэнергетичных лазеров, как непрерывных, так и импульсных, необходимых для решения целого ряда задач, к числу которых можно отнести термоядерный синтез, лазерные технологии, лазерную локацию Луны и т. д.
С 1958 по 1972 год Басов занимал пост заместителя директора Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР в Москве, а с 1973 по 1989 год – его директора. Будучи директором ФИАНа, Басов в 1980 году организовал в Самаре (ныне Куйбышев) филиал ФИАНа, который вскоре стал ведущим в СССР центром по лазерной технике и технологии.
С момента основания (в 1963 году) лаборатории квантовой радиофизики Физического института АН СССР и до самой смерти Басов являлся ее руководителем. Также с 1963 года Басов состоял профессором кафедры полупроводниковой физики Московского инженерно-физического института. По его инициативе в институте в 1971 году был организован специальный факультет физики, на который принимались только лучшие студенты-физики различных университетов СССР.
В 1950 году Николай Басов женился на Ксении Тихоновне Назаровой. Его жена по профессии также была физиком и работала в МИФИ. У Басовых родилось два сына – Геннадий (в 1954 году) и Дмитрий (в 1963 году). Дмитрий Николаевич Басов пошел по стопам отца и стал известным ученым-физиком.
Главным и единственным увлечением в жизни ученого была наука. Он являлся главным редактором известных научно-популярных журналов «Природа» (1967–1990) и «Квантовая электроника» (1971), членом редколлегии журнала «Il Nuovo Cimento».
Кроме Нобелевской премии Басов был многократно награжден различными премиями и медалями, среди которых можно выделить золотую медаль Чехословацкой академии наук (1975), золотую медаль А. Вольты (1977), золотую медаль им. М. В. Ломоносова АН СССР (1990).
В 1959 году Басов стал лауреатом Ленинской премии, а в 1989 году получил Государственную премию СССР. Николай Геннадиевич дважды был удостоен звания Героя Социалистического Труда (1969, 1982), пять раз награждался орденом Ленина.
В 1962 году знаменитый ученый был избран членом-корреспондентом АН СССР, в 1966 году – действительным членом АН СССР, с 1967 года являлся членом Президиума АН СССР, с 1990 года – председателем Президиума АН СССР, с 1991 года – председателем Президиума РАН.
Николай Геннадиевич был членом различных академий наук, среди которых можно выделить академии Польши, Чехословакии, Болгарии, Германии, Франции, Шведскую королевскую академию инженерных наук, Американское оптическое общество, а также Германскую академию естествоиспытателей «Леопольдина».
