原子物理與光學組的研究領域有：(一)原子結構、躍遷率、光游離與碰撞、量子點、正電子和正負電子偶對與原子的反應以及強電磁場中的原子理論；(二)創新雷射與光電元件，包含可調寬頻譜的脈衝雷射及其在光譜學的應用；(三)發展雷射電漿波加速器、Ｘ光雷射、電漿非線性光學與兆瓦飛秒雷射驅動的電漿光電元件；(四)雷射分子冷卻、低溫分子碰撞與反應以及使用載波包絡鎖相光梳雷射從事粒子波函數的量子控制。
原子物理理論團隊是由黃克寧博士與何耀錦博士領導，研究領域涵蓋廣泛的原子物理問題。此團隊已發展了多組態相對論性混相法與複座標轉動法用於精確的計算。前者可大幅提升計算效率，目前正有系統的用於原子結構、躍遷率、光游離與碰撞過程等研究中；後者則已被證明是一個研究共振現象非常有效的方法，目前正用於研究電漿屏蔽下原子的光游離與共振、外加強場下的原子、含氫量子點、正電子和正負電子偶對與原子的交互作用。
由孔慶昌博士主持的固態雷射研究實驗室致力於新式雷射與光電元件的開發與應用。目前的研究包含了發展緊緻可調頻雷射與研究粒子中的同調過程，並致力發展可攜式可調頻雷射與診斷設備，用於與其他機構合作的研究計畫，其中包括與同步輻射中心的合作。
由汪治平博士和陳賜原博士領導的強場物理與超快技術實驗室最近建造了一套高品質的十兆瓦雷射系統，並致力於強場物理領域開創性的研究。這套雷射系統生成電漿的溫度足以產生核融合反應，也可驅動電子運動顯現出相對論非線性行為。藉由時空波形的編製，這套雷射系統已經用於製作暫態電漿元件以應用於強場物理的研究，而電漿元件在強場下的非線性反應也開啟了電漿非線性光學的新領域。同時，這套雷射可產生同步超短軟Ｘ光脈衝，其瞬間光譜亮度可比同步輻射高出好幾個數量級。
陳應誠博士計劃發展捕獲和冷卻分子的一般方法，包括共振腔致冷、雷射冷卻原子輔助致冷和蒸發致冷等。低溫分子將被用來研究極冷碰撞和極冷化學反應，透過外在電磁場的控制，可以針對偶極分子，偶極-偶極交互作用提供豐富的量子現象。張銘顯博士計劃建造離子阱實驗，以產生並研究離子間的量子糾結態。他並計劃將離子帶至中性超冷原子氣體裏，以研究超低溫中性與帶電原子間的碰撞與電荷交換等量子移轉現象。
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