Исследования в области радиоспектроскопии шли параллельно с работами по физике ускорителей. Исследованием ускорителей Александр Михайлович начал заниматься сразу после защиты кандидатской диссертации. Его научный руководитель, тогда член-корреспондент, а затем академик Владимир Иосифович Векслер поручил Прохорову экспериментальную проверку идеи о возможности использования ускорителя типа синхротрона для генерации сантиметровых и миллиметровых волн. Иными словами, речь шла об изучении когерентного излучения в синхротроне.
Для этого Александру Михайловичу был передан бетатрон - первый бетатрон, построенный в Советском Союзе доктором наук (впоследствии ставшим академиком) Павлом Алексеевичем Черенковым.
Вначале этот ускоритель электронов был опробован в различных режимах. В дальнейшем А.М. Прохоров совместно с сотрудниками перевел бетатрон в режим синхротронного ускорения для изучения синхротронного излучения в области сантиметровых радиоволн. Затем им была проведена большая серия сложных и тонких экспериментов по изучению когерентных свойств магнито-тормозного излучения релятивистских электронов, движущихся в однородном магнитном поле в синхротроне - синхротронного излучения. Синхротронное излучение обусловлено ускорением частиц при искривлении их траектории в магнитном поле и зависит от неоднородности распределения электронов по круговой орбите.
В результате проведенных исследований Александр Михайлович доказал, что синхротронное излучение может быть использовано в качестве источника когерентного излучения в сантиметровом диапазоне длин волн, определил основные характеристики источника, уровень мощности и предложил метод определения размеров электронных сгустков.