Участник Великой Отечественной войны. На фронте с 1941, воевал в разведке, был дважды ранен, в 1944 отозван с фронта на работу в ФИАН.
В начале 1950-х гг. приступил к исследованиям в области радиоспектроскопии молекул, в 1954 — радиоспектроскопии кристаллов на основе метода электронного парамагнитного резонанса. В 1955-1965 разрабатывал новый тип генератора электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения - СВЧ-мазер на пучке молекул аммиака, предложил метод получения инверсных состояний в квантовых системах с помощью накачки вспомогательным излучением (совместно с Басовым), выдвинул идею открытого резонатора субмиллиметрового диапазона, распространенную позднее на оптический диапазон, создал первый квантовый генератор — мазер (также совместно с Басовым). В те же годы вместе с сотрудниками исследовал спектр магнитного резонанса рубина и создал на этой основе один из первых квантовых парамагнитных усилителей, отличающихся низкой шумовой температурой. Эти результаты легли в фундамент квантовой электроники. Под его руководством был выполнен комплекс работ широкого профиля в результате которых в дальнейшем складывались целые научные направления квантовой электроники и других областей современной физики, в том числе мощные твердотельные лазеры на кристаллах и стеклах и их применение в физике взаимодействия оптического излучения с веществом; мощные СО2-лазеры непрерывного действия, в том числе газодинамические; нелинейная оптика и спектроскопия высокого разрешения; физика магнитных явлений и субмиллиметровая радиоспектроскопия; волоконная и интегральная оптика; лазерная технология и медицинские лазеры. В 1980-90-х гг. занимался проблемами физики поверхности, микроэлектроники, высокотемпературной сверхпроводимости, применения микроволн.
Председатель Научно-редакционного совета издательства «Большая Российская Энциклопедия» (с 1969), главный редактор 3-го издания БСЭ (1969-78). Директор инститкута общей физики (1982-1998).