A caracterização óptica e otimização de materiais nano e bidimensionais (2D) são fundamentais para o avanço de dispositivos e aplicações fotônicas. Esta dissertação está dividida em quatro diferentes linhas de pesquisa em óptica e apresenta uma abordagem integrada combinando métodos experimentais e computacionais para investigar e aprimorar as propriedades ópticas destes materiais. Primeiro, os fenômenos de espalhamento de luz foram explorados usando sistemas de laser aleatórios e simulações numéricas para determinar a eficiência de diferentes nanomateriais naturais. Em segundo lugar, técnicas de espalhamento hiper-Rayleigh foram empregadas para caracterizar a geração de segundo harmônico, revelando a resposta óptica não linear de nanocristais. Além disso, o comportamento óptico dos dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) sob excitações externas, como campos elétricos variados, foi estudado sistematicamente, proporcionando uma compreensão mais profunda de suas propriedades e degradação. Por fim, a otimização de nanomateriais foi abordada através da aplicação de um algoritmo genético multiobjetivo (MOGA), possibilitando a identificação de geometrias com propriedades ópticas aprimoradas para nanomateriais metálicos.