重点实验室在光学工程、光学、生物学、医学、电子学等多学科交叉领域形成3个研究方向：(1) 重大疾病发病机制的光学表征：利用先进的光学检测与成像技术，开展重大疾病发病机制的研究，包括微尺度成像技术研究新发传染病发病机制及宿主免疫反应分子机制、癌症发生与发展机制研究等；(2) 诊断与治疗的光电技术：发挥多光子显微成像技术、拉曼光谱技术、光动力技术、光声/声光等无损光学技术的优势，针对肿瘤诊疗的需求和亟待解决的临床问题开展研究，包括肿瘤术中边界定位识别、肿瘤预后评估、治疗剂量监测和新型纳米光敏剂开发；(3) 光电诊疗设备与应用：发挥重点实验室先进的光学检测与成像技术在临床医学基础研究领域的优势，开展面向医疗信息检测技术、传输设备及可视化技术研究。