二维红外光谱(2D-IR, two-dimensional infrared vibrational echo spectroscopy)是一种三阶非线性超快时间分辨光谱。它的信号是分子体系对一系列超快红外激光脉冲所作出的一种时域非线性响应（受激振动光子回波）在频域中的双频率轴表达。

二维红外光谱通过监测分子的某个振动模式的振动谱带在一段超快时间间隔的起始时刻与终止时刻的红外振动频率的相关度来监测分子的超快动态变化。通过获得在不同时间间隔的一系列二维红外光谱，我们可以在线监测分子体系的动态变化。

由于分子结构与其化学键的红外振动频率密切相关，二维红外光谱能提供关于复杂化学体系的超快结构动态变化、分子超快振动耦合及振动动力学、以及振动驰豫过程等信息，反映的是在飞秒至皮秒时间轴上的分子结构动态信息。