本发明涉及一种动量空间光学相位测量系统，包括：物镜，置于待测样品的后方；第一分束器，置于物镜的后方；两个透镜，以一定间距置于第一分束器的后方；光电探测设备，置于的两个透镜的后方；以及光束发射装置，用于形成光束；其中，光束被分成射向待测样品的第一路光束和射向第一分束器的第二路光束；第一路光束经过待测样品和物镜而进入第一分束器并与第二路光束合束形成汇合光束，汇合光束依次通过的两个透镜并射入光电探测设备。本发明采用光束分成经过样品和不经过样品的两路光束传播，而后在样品的动量空间中重新叠加，进而利用光学探测设备测量叠加信号的强度，从中提取出样品在动量空间中的光学相位响应信息。