Основні наукові дослідження, виконані у відділі, мають принципове значення і становлять великий науковий та практичний інтерес.
Так, у відділі вперше ще в середині 60-х років були створені лазери на наборі змішаних однорідних напівпровідників групи А₂В₆(CdS_xSe_1-x; Zn_xCd_1-xS; Zn_xCd_1-xSe; CdSe_xTe_1-x) при двофотонному збудженні, які забезпечили частотну перебудову генерації у всій видимій та ближній ультрафіолетовій областях спектру (М.С. Бродин, В.Я. Резніченко, С.І. Шевель, П.І. Буднік, Д.Б. Гоер).

Розвинуто методи нелінійної спектроскопії двофотонного поглинання та нелінійної рефрактометрії, які дозволили виміряти дійсну і уявну частину нелінійної сприйнятливості і її анізотропію в широкому наборі напівпровідників A₂B₆; A₂B₆-A₃B₅; A₄B₄ та вивчити природу їх нелінійності. Роботами відділу з нелінійної оптики розвинуто новий науковий напрям – нелінійну кристалооптику напівпровідників, в рамках якого вперше проведено дослідження нелінійних явищ самофокусування, самодефокусування, самодифракції, обертання хвильового фронту та поперечної оптичної бістабільності в напівпровідниках (А.О. Борщ, М.С. Бродин, В.І. Волков, В.Я. Гайворонський, В.Я. Резніченко).

Виконано фундаментальний цикл прецизійних вимірювань оптичних характеристик в області екситонного поглинання кристалів, які, зокрема, експериментально довели існування теоретично передбачених С.І. Пекаром додаткових світлових хвиль. Вперше здійснено просторове розділення пекарівських хвиль, що мають однакову частоту і поляризацію, але різні показники заломлення. Визначені границі застосування фундаментальних законів класичної кристалооптики - співвідношення Крамерса-Кроніга і формул Френеля – до середовищ, в яких просторова дисперсія діелектричної проникливості є суттєвою (М.С. Бродин, М.І. Страшнікова, С.В.Марісова, Н.О.Давидова, В.В. Чорний).

Проведено дослідження екситонних явищ, що виникають при високих рівнях збудження - так званих колективних процесів - які дозволили вперше спостерігати в шаруватих кристалах PbI2 утворення екситонної рідини, а в кристалах CdS, CdSe та Cd_1-xSe_x - електрон-діркової плазми та крапель (М.С. Бродин, І.В. Блонський, В.В. Тищенко, М.І. Страшнікова, В.Я.Резніченко, М.І. Воловик)

В роботах Борща А.О. із співробітниками спостерігалось аномально велике значення кубічної нелінійної сприйнятливості в нових органічних полімерах на основі епоксидів, а також в острівцевих плівках шляхетних металів та нанокристалічних плівках карбіду кремнію.

В роботах Тищенка В.В. із співробітниками показано, що зародкоутворення e-h рідини (ЕДР) є неізотермічним процесом, який призводить до періодичних у часі коливань щільності та температури газової фази носіїв навколо крапель ЕДР.

В роботах Бондаря М.В. і Бродина М.С. показано, що основними елементами, що впливають на спектр носіїв заряду (екситонів) в нанокластерах (квантових точках) є розмірне квантування їх енергії, діелектричне підсилення енергії їх зв’язку та формування фазового перколяційного переходу екситонів, що виникає в двохфазній системі під час взаємодії носіїв між нанокластерами (квантовими точками).

В групі В.Я.Гайворонського вперше було спостережено явище гігантського нелінійно-оптичного відгуку нанокомпозитів TiO₂ (ефективна кубічна НЛО сприйнятливість χ⁽³⁾ ~ 10^–5 СГСЕ) в області прозорості при самовпливі лазерних імпульсів пікосекундного діапазону. Його величина на шість порядків перевищує відгук об’ємного матеріалу. Це явище було пояснено резонансним збудженням дефектних станів, пов’язаних з вакансіями кисню на розвинутій поверхні нанокомпозитів. Запропоновано підхід моніторингу поверхневих станів та фотокаталітичної активності нанокомпозитів на основі металооксидів методами нелінійної оптики.

В роботах Давидової Н.О. показано, що зародкоутворення має вирішальне значення в процесі склоутворення молекулярних сполук. Нижче температури склування кристалічні зародки виявляються зануреними в структуру скла, визначаючи його наноструктуру. Цікаво, що симетрія кристалічних зародків, утворених в переохолоджених рідких станах, не збігається з симетрією початкового кристалу.