沈学础发展了光学补偿双光束傅里叶变换红外光谱方法，发现了一定条件下某些固体存在声学局域模。发展了傅里叶变换光热电离谱方法，使硅中浅杂质检测灵敏度有数量级的提高。对超晶格、量子阱及其他低维结构、半磁半导体和非晶半导体、固体中杂质以及氨基酸、多肽、蛋白质分子等作了大量光谱研究，尤注重其中量子态跃迁、量子态杂化耦合等微观量子过程和量子互作用。他还在固态电子混沌、微腔激子激元、微腔单量子点等方面有一定的成果。