凝聚态与光电子物理研究中心主要开展新型低维纳米材料生长与光电性质研究，基于材料发展新型探测、发光器件；开展多维光场感知机理及计算光学算法研究，开发片上光子集成和光电集成芯片、智能感存算一体芯片；开展新型光电传感在天文、环境、通信、生命健康等领域的应用交叉研究；光电表征系统与装备自研与应用等。目前下设三个教授工作室：戴宁教授工作室，胡伟达教授工作室，陈效双教授工作室。

激光物理与技术研究中心主要开展新型高功率、窄脉宽、新波段激光技术、器件及应用研究，研究方向包括高功率激光器技术研究、激光精密测量与遥感技术研究、光纤非线性光学技术及其应用研究、微纳激光材料、新型芯片级微纳激光、超快激光光谱与太赫兹物理光谱技术研究、新型片上太赫兹光谱学研究、极端条件凝聚态物性光谱学研究、新型光电材料、器件制备与表征研究、信息光学成像理论研究、X射线成像研究、智能计算光学成像研究等。目前下设三个教授工作室：陈卫标教授工作室，菲利普罗素教授工作室，冷雨欣教授工作室。

新型光电探测与成像研究中心主要开展新型遥感探测理论及方法研究（光谱成像，红外成像，激光三维成像方向）；计算机视觉理论及方法研究（AR，VR相关）；气体探测技术；溯源物理量基准传递技术；计算光学光谱成像理论及方法研究；主被动光谱探测与分析；遥感与行星科学数据处理与应用；精密光谱测量新技术；小天体探测新方法；新型红外光电器件；半导体激光器；片上集成中红外光电子芯片；红外智能感知光电探测系统；空间光学载荷极限几何定位技术；遥感数据智能化处理及应用技术等。目前下设五个教授工作室：王建宇教授工作室，舒嵘教授工作室，陈建新教授工作室，陈涛教授工作室，王跃明教授工作室。

光电材料与器件研究中心主要开展光电材料基础和前沿探索研究，强化材料内在物理与化学构效关联体系设计研究；光电器件新技术、新方法和新应用研究。包括：超表面光场元件原理、加工与应用研究；光学薄膜与结构薄膜的光子学器件及应用研究；基于人工智能的光学探测与成像研究；柔性电子器件、传感芯片、可穿戴设备的研发；基于微纳光波导的器件设计与新型传感及与生命科学、人工智能等前沿领域的交叉研究；微纳激光材料制备与光物理分析、片上光电子器件集成技术探索与应用研究；光通信系统器件构建、信息传输信道光学设计、接收算法优化研究等。目前下设三个教授工作室：张龙教授工作室，邵建达教授工作室，胡丽丽教授工作室。

引力波宇宙太极实验室（杭州）面向空间引力波探测国际发展前沿开展研究，与其他学院共建，物光学院研究方向包括空间激光干涉精密测量技术、星间激光干涉链路建立与高精度保持技术、空间超稳光学频率源研究、空间超精密机构与微振动隔离技术、高精度惯性传感技术以及无拖曳控制技术等。