物理学主要研究方向分为：
方向一量子光学与量子信息：本方向以光场量子态作为量子资源，开展量子计算、量子通信和量子测量等领域的研究工作。经过数十年的攻关，在此方向上形成了优势与特色，在国际上占有重要地位。在连续变量纠缠态光场的纠缠度和组份、原子中量子存储时间、量子逻辑门数达到目前国际最高水平；国际上率先实现一维、两维及强相互作用下超冷费米气体自旋轨道耦合的量子模拟。以上研究对量子信息、量子模拟特别是设计和模拟新型拓扑量子材料具有重大意义。
方向二超冷原子分子物理：本方向的主要研究领域为光与超冷原子分子相互作用，针对超冷原子、超冷极性分子、巨型里德堡分子和玻色爱因斯坦凝聚以及自旋-轨道耦合的简并费米气体等的量子态制备、测量与应用的国际研究热点和难点问题开展研究，利用光场、电磁场和微波场实现超冷原子分子量子态的有效操控，解决量子信息处理与精密光谱等研究中的重大科学问题。开展超冷原子分子物理的研究将促进量子科学、光谱技术等领域的全面发展，极具科学意义和应用价值。
方向三光与物质相互作用：主要从原子系综与光场相互作用的量子调控以及确定性原子的操控及其与光场强耦合作用方面开展研究，具体研究内容包括：冷原子系综中的高效率、长寿命量子存储，高性能量子中继，原子介质中的光子晶格及新奇量子态，从单原子到多原子阵列的操控及其与微腔的强耦合，单分子量子相干效应与动力学特性，基于多原子控制的量子模拟和量子信息处理，基于纳米光纤和微盘腔的原子操控与测量以及利用量子光源和原子系综的精密磁场测量等方面的研究。
方向四量子物理的理论研究：立足本学科国际前沿，本方向的主要研究领域包括量子物理基础、冷原子理论、复杂系统动力学理论、中高能核物理等方面，在突出理论物理研究的前瞻性的同时又兼顾基本理论的潜在应用。在以下研究方向上形成了独具特色的研究队伍，有一定的研究优势：分子磁体和场论模型量子隧穿中提出并发展的周期瞬子方法，量子简并原子气体中新奇量子态的相干操控理论，低维及介观体系的输运及拓扑性质研究，非线性量子系统中的超流及孤子动力学等。
方向五固态量子材料：本方向主要研究领域为低维结构中光、电、自旋的量子效应及其物理机制；制备Ⅲ-V族半导体量子材料；开发半导体自旋器件和高品质单光子源。该方向拥有自材料生长至材料测试较为完善的科研设备，具有较强的产学研合作基础。能够开展新型量子材料系统的自旋电子学和半导体量子光学展开前沿研究；培养具有国际视野的高水平研究生。
方向六全固态激光技术和光量子器件：本方向主要进行高性能的全固态激光技术的研究及相关器件的研制和基于量子光学技术的光量子器件的研究及相关器件的研制。本方向在全固态连续单频激光器研究方面有着长期的积累，研制的激光器的性能指标达国际先进水平，曾获国家技术发明二等奖和山西省技术发明一等奖。在基于连续变量量子光学技术的相关量子光学器件方面进行着国际前沿研究，已研制出国际上首台连续变量量子纠缠态光源和量子保密通信样机。
信息与通信工程主要研究方向分为：
方向一无线通信与系统：面向无线通信领域，重点研究通信系统中射频前端、无线信道统计特性以及通信设备的电磁兼容特性。在煤矿限定空间等特殊环境中信息的采集与传输、通信系统的构建方向优势明显，取得了创新研究成果，建设了一个具有可持续发展能力的山西省特色能源产业创新平台，为信息化建设和地方经济发展提供了科技源动力。
方向二光传感与光传输系统：面向全光通信系统中各种微纳光子结构与器件、光调控和光学传感器，以及光纤传输系统中光信号的无畸变非线性传输。在光孤子的形不变传输和控制方面优势明显，在石墨烯等离子体波导、超材料吸波器和传感器设计方面特色鲜明。所研究的各种微纳光子结构和器件可应用于全光通信和光学传感系统，光孤子的无畸变传输对提高光通信的速度和容量具有重要的意义。
方向三物联网与信息智能处理：面向特殊环境中信息的采集与处理，研究通过各类传感设备，感知各种需要的信息，将信息可靠传输到云计算平台或数据中心，运用人工智能等技术，对海量数据进行处理，实现智能化的监视和管理。
方向四：量子信息处理：面向量子信息的后处理，研究连续变量量子密钥分发(CVQKD)信息后处理技术和量子隐形传态：如基于Turbo、LDPC码的量子高斯密钥分配的一维及多维数据协调和优化 ，安全性分析，量子窃听经典复合信道的密钥容量，信息后处理GPU和FPGA加速及量子隐形传态，协调速率指标方面在国内处于领先水平，率先提出了利用特征点提高视频帧率的思想。
方向五多媒体信号处理：面向多媒体信号及跨媒体信息处理领域，研究图像、视频、语音、生物特征信号及跨媒体信息的智能处理及识别技术，开发智能视频分析系统、人体生物特征识别系统、语音处理系统及跨媒体信息处理系统等。该方向特色为面向多媒体信息应用需求，以研究智能信息处理基础理论与方法为核心，以实际应用为重点，研究成果应用于智能监控安防系统、智能交通管理及互联网多媒体等方面。
光学工程主要研究方向分为：
方向一光存储与显示技术：本方向主要开展激光散斑消除、多束激光整形、LED 制备及光谱优化等领域的研究，通过长期技术攻关，采用实验室自主开发的高功率绿色全固态激光光源等，解决了高功率激光光源耦合和散斑抑制等行业技术难题。通过相关研究，不仅解决了国家的重大应用需求，同时与省内外高新企业合作极大地促进了激光显示等行业的发展。
方向二激光与光子学技术：主要从事低噪声、窄线宽且功率稳定的全固态激光源的研制，发展基于倍频、和频以及差频等技术的新型激光源，积极推进压缩态、纠缠态等非经典光源的研制，最终为基础研究、国家大装置以及工业应用提供可靠的优质激光源，并在非经典光源领域填补国内空白。
方向三光电检测与光电传感：主要从事高灵敏、高分辨激光光谱技术及其在痕量气体、固态物质元素检测领域的研究工作，重点发展超灵敏腔增强激光吸收光谱技术、高灵敏石英叉增强光声光谱技术以及激光诱导击穿光谱技术，通过高水平的基础研究提升技术的实用性、稳定性，发展激光气体或固体元素分析装置。本方向的研究除了解决国家的重大需求外，积极与本省高新企业进行产学研合作，为行业培养高水平的技术人才。