박두재 교수는 레이저를 이용한 나노 물질 분광학, 양자 광학을 기반으로 한 첨단 레이저 개발 및 양자 나노구조 분석 기기 개발, 초고속 전자-광자 상호작용 연구를 진행하고 있다. 특히 연구실에서 근접장 광학 현미경, 극초단 펄스 레이저 등의 첨단 측정 장비를 개발하고 운용하고 있으며, 시계열 분광 전자 현미경과 같이 전혀 새로운 컨셉의 측정장비를 개발하기 위해 노력하고 있으며, 또한 새로운 전자기 현상을 해석하기 위해 고전 전자기학에 기반한 이론적 모델을 개발하고 분석하고 있다.