1956年，刚念完三年级的周炳琨就提前毕业，当上了助教，得到了有计划的培养。清华大学送周炳琨到成都电讯工程学院（后更名为“电子科技大学”），跟随苏联专家列别捷夫教授进修微波电子学，担任翻译和助手。在成电优秀青年教师刘盛纲（后长期担任电子技术大学校长，并于1980年当选为中国科学院学部委员）的帮助下，周炳琨从列别捷夫那里学到很多真本领。1958年，周炳琨回校后，以一个22岁的小助教就开始讲授“微波技术”的大课，并负责实验室的建设。
1960年，清华无线电系系主任李传信推荐周炳琨去苏联进修。
1960年1月，周炳琨来到苏联列宁格勒电工学院，专研微波技术。半年之后，美国加利福尼亚州休斯飞机公司的科学家梅曼发明了世界第一台“红宝石激光器”，这标志着“激光技术”形成。它与原子能、半导体、电子计算机一起，被誉为当代科学技术的“四大发明”。周炳琨感到压力，他想国内这方面的研究几乎是空白，如不及时跟上最新科技的步伐，转眼之间就要落后若干年。他想转变自己的研究方向，投身于激光的研究。但这也是比较冒险的一个决定，因为这意味着以前所学的东西得弃置一旁。
他参加了苏联第一批红宝石激光器的研制工作。于是周炳琨成为中国学习和研究激光的第一人。两年后，他回到清华大学，该校无线电系立即组建了以他为首的激光研究小组，开始研究固体激光器这一崭新的技术。当他们的工作刚开始起步时，“四清”、“文革”等政治运动接踵而来。周炳琨在极其困难的情况下，带着他的科研分队，几下江南。当别人搞开武斗、搞无政府主义时，他们奔赴常州、无锡的工厂，与工人师博、工程技术人员协作攻关，先后为我国国防现代化、激光技术产业化做出了重大贡献。
1983年，他再次受学校派遣，远涉重洋，赴美国加利福尼亚州硅谷的斯坦福大学做访问学者，他一方面摸清了国外新技术革命的发展状况，同时，又对某些外国人轻视中国学者感到愤慨，决心“为中华民族争口气”。
周炳琨虽然年近半百，却老当益壮，带着清华应用物理系两个20多岁的研究生努力奋战，在短短的一年半里，竟拿出“泵溥钇铝柘榴石激光器”成为当时世界上效率最高、线宽最窄、频率最稳的激光器。
