Выполненные им исследования процессов переноса энергии электронного возбуждения в твердых растворах ионов редкоземельных элементов привели к обнаружению общих закономерностей, связывающих микроскопические механизмы переноса с релаксацией энергии в коллективе взаимодействующих частиц. Разработана количественная спектроскопия лазерных кристаллов и стекол, вошедшая в справочную литературу. Предложена и развита концепция оптически плотных активных сред. Разработанный им на основе этих результатов метод микропараметров имеет предсказательную силу и привел к разработке новых лазерных кристаллов с уникальными свойствами. С использованием этих кристаллов разработаны лазеры как с ламповой, так и диодной накачкой, обладающие рекордными параметрами. Принимал активное участие в разработке технологии диодной накачки, приведшей к принципиальному расширению возможностей применения лазеров.

После избрания директором ИОФ РАН в 1998 году возглавил работы института по разработке и применению лазеров в медицинской практике. В настоящее время он принимает активное участие в изучении свойств водных растворов. В этой области им с соавторами получен целый ряд фундаментальных результатов, в частности, по влиянию внешних воздействий на свойства жидкостей, роли пероксида водорода и активных форм кислорода на жизнедеятельность биообъектов.

Автор и соавтор более 400 работ.

Является заведующим кафедрой лазерных систем и структурированных материалов Московского физико-технического института. Среди его учеников 8 докторов наук, 20 человек под его руководством защитили кандидатские диссертации. Он входит в состав диссертационных советов ИОФ РАН, являясь председателем одного из них, а также в ряд советов президиума РАН и Отделения физических наук РАН.

В разное время в период с 1986 по 2015 год работал в качестве приглашенного профессора в Университете Южной Калифорнии (США), Гамбургского университета (Германия), Университета Центральной Флориды (США). Его деятельность получила широкое международное признание. Он руководил программами, выполняемыми ИОФ РАН совместно с ведущими научным центрами США, Германии, Австрии, Швейцарии. С 1987 по 2017 год являлся членом президиума, членом экспертного совета по физике и экспертом ВАК. В 1998, 2003 и 2008 гг. избирался директором ИОФ РАН, а в 2002 году – заместителем академика-секретаря Отделения физических наук РАН.

Член-корреспондент c 07.12.1991 – Отделение общей физики и астрономии.
Академик РАН c 22.12.2011 – Отделение физических наук (физика и астрономия).

Является главным редактором журнала Physics of Wave Phenomena и членом редакционного совета журнала «Квантовая электроника». Член редакционной коллегии фундаментального справочного издания «Новая Российская энциклопедия».

Является председателем двух международных и одной всероссийской конференции:

•‎ Международная конференция Advanced Laser Technologies, ALT).
•‎ Международный симпозиум International A. M. Prokhorov Symposium on Biophotonics.
•‎ Всероссийская конференция «Физика водных растворов».

Премии и награды

•‎ Орден Дружбы, 2021 г.
•‎ Золотая медаль имени А. М. Прохорова за цикл работ за цикл работ «Процессы трансформации энергии возбуждения в активных средах лазеров» 2013 г.
•‎ Премия Ленинского комсомола, 1977 г.
•‎ Премия Совета Министров СССР, 1990 г.
•‎ Благодарственное письмо Президента Российской Федерации В. В. Путина в связи с 300-летием Академии, 2024 г.
•‎ Юбилейная медаль «300 лет Российской академии наук», 2024 г.