超强激光技术及装置
超强超短激光被认为是人类已知的最亮光源，能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度综合性极端物理条件，在台式化加速器、阿秒科学、超快化学、材料科学、激光聚变、核物理与核医学、高能物理等领域有重大应用价值。
2002年，上海光机所突破光学参量啁啾脉冲放大超强超短激光新原理系列关键科学技术，获得峰值功率高于国际同类研究一个量级的16.7太瓦激光输出，获2004年度国家科学技术进步奖一等奖。2011年，物理所采用高对比度啁啾脉冲放大技术，在国际上首次利用飞秒钛宝石放大激光装置获得大于1拍瓦的峰值功率。2013年和2016年，上海光机所相继研制成功创当时世界最高激光峰值功率纪录的2拍瓦和5拍瓦激光系统。2017年率先实现10拍瓦激光放大输出，引领超强激光科学国际前沿。
自20世纪60年代以来，作为我国激光惯性约束聚变（ICF）装置研究的发源地和核心团队，上海光机所先后完成了神光Ⅰ、神光Ⅱ系列高功率激光装置建设，为高能密度物理前沿研究和国家战略高技术发展提供了核心战略支撑。1986年建成的神光Ⅰ装置（激光12号实验装置），标志着我国ICF五位一体实验研究的重大突破，获1990年度国家科学技术进步奖一等奖；2001年建成的神光Ⅱ装置和2005年成功研制国内唯一的多功能探针系统；2017年通过验收的神光驱动器升级装置成为我国ICF研究核心快点火与先进闪光照相能力综合研究平台。
高精度衍射光栅制造技术和大口径碳化硅反射镜
衍射光栅是一种具有纳米精度周期性微结构的精密光学元件，是各类光谱仪器的“心脏”，在天文学、光通信、激光器、信息存储、惯性约束激光核聚变等众多领域中有重要应用。将光栅做大做精是世界性难题，而光栅刻划机作为制作光栅的母机，被誉为“精密机械之王”。长春光机所经过多年努力，突破一系列关键核心技术，于2016年11月自主研制成功大型高精度衍射光栅刻划系统，并成功刻划出世界最大面积的中阶梯光栅（400毫米×500毫米），解决了我国光谱仪器“有器无心”的问题，打破了国外垄断和封锁，提升了我国光谱仪器产业迈向高端和拓展国际市场的能力。
大口径光学反射镜是高分辨率空间对地观测、深空探测和天文观测系统的核心元件，碳化硅（SiC）陶瓷材料是国际公认的高性能反射镜材料，我国完全依赖进口，长期受制于人。长春光机所完成了国际公开报道中最大口径4米的碳化硅非球面反射镜制造——碳化硅镜坯制备、非球面加工检测以及改性镀膜，核心制造设备和制造工艺具有自主知识产权，并于2018年8月通过验收。该成果标志着我国在大口径光学制造领域取得重大技术突破，形成大口径系列反射镜研制能力，对我国基础研究、防灾减灾、公共安全、国防安全等具有重要战略意义。
非线性光学晶体研究及装备研制
福建物构所相继于1979年和1986年发明出新型非线性光学晶体——低温相偏硼酸锂（β–BaB2O4，简称BBO）和三硼酸锂（LiB3O5，简称LBO）。BBO是世界上第一个具有实用价值的紫外非线性光学晶体，LBO是可见与紫外光区频率变换特别是大功率器件应用的首选晶体，在科学研究以及精密加工、信息通信、医疗、半导体等行业具有广阔应用空间。LBO获1991年度国家技术发明奖一等奖。BBO与LBO晶体材料及元器件研制打破了国外垄断，以该技术为核心孵化出的福晶科技公司，长期保持全球最大非线性光学晶体和激光晶体制造商地位。
理化所经过20余年的努力，在深紫外非线性光学晶体及激光技术方面实现突破，在国际上率先突破非线性光学晶体KBBF（KBe2BO3F2）大尺寸生长技术和精密化、实用化深紫外全固态激光技术，研制出多个系列的实用化、精密化深紫外全固态激光源，并与物理所、大连化物所、半导体所等单位合作研制成功一系列国际首创/领先的深紫外激光前沿科学装备，构建了“晶体—光源—装备—科研—产业化”的完整创新链，标志着我国成为世界上唯一能够制造实用化、精密化深紫外固态激光器的国家。
1984年，金属所在钛镍钒急冷合金中发现具有5次对称的二十面体准晶，有力地论证了准晶的存在，打破了固体材料传统的晶体和非晶体分类标准，为物质微观结构及材料研究打开了全新的研究领域。获1987年度国家自然科学奖一等奖。该成果及后续有关研究工作为推动航空航天准晶热障涂层、太阳能选择性吸收薄膜、准晶复合材料、准晶热电材料等新材料研发及应用积累了理论基础。
面向世界科技前沿的15项重大科技成果：
高温超导体研究、拓扑物态领域系列研究、粒子物理与核物理研究、有机分子簇集和自由基化学研究、纳米科技创新、人工合成生物学研究、非人灵长类模型与脑连接图谱研究、基因组研究、《中国植物志》编研及生物多样性研究、古生物研究、第四纪环境研究、东亚大气环流研究、数学机械化方法与辛几何算法、系列大型天文观测设施、以北京正负电子对撞机为代表的大型加速器类装置。
面向国家重大需求的15项重大科技成果：
载人航天与探月工程的科学与应用、北斗卫星导航系统系列卫星研制、空间科学实验系列卫星、深海科考和载人深潜器技术、量子通信与量子计算研究、极大规模集成电路关键技术、高性能计算、国产芯片与系统软件研发、机器人与人工智能技术、先进核能研究、超强激光技术及装置、高精度衍射光栅制造技术和大口径碳化硅反射镜、青藏高原科学考察研究、青藏铁路工程冻土路基筑路技术与示范工程和地球深部资源探测理论、技术与装备。
面向国民经济主战场的10项重大科技成果：
黄淮海科技会战和渤海粮仓科技示范工程、煤炭清洁高效利用核心技术和工业示范、非线性光学晶体研究及装备研制、干细胞与再生医学研究、新药创制、远缘杂交与分子育种研究、海洋生态牧场研究与示范、科技救灾、中国生态系统研究网络、地域空间开发和功能区划研究。
