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二維紅外光譜(2D-IR, two-dimensional infrared vibrational echo spectroscopy)是一種三階非線性超快時間分辨光譜。它的信號是分子體系對一系列超快紅外激光脈沖所作出的一種時域非線性響應（受激振動光子回波）在頻域中的雙頻率軸表達。它是二維核磁共振譜在紅外領域的直接對應。由于紅外激光脈沖比核磁共振所用的無線電頻率脈沖能量不確定度更高，根據時間與能量的測不準原理，二維紅外光譜比二維核磁共振譜具有更高的時間分辨率。

二維紅外光譜通過監測分子的某個振動模式的振動譜帶在一段超快時間間隔的起始時刻與終止時刻的紅外振動頻率的相關度來監測分子的超快動態變化。通過獲得在不同時間間隔的一系列二維紅外光譜，我們可以在線監測分子體系的動態變化。