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。它是二维核磁共振谱在红外领域的直接对应。由于红外激光脉冲比核磁共振所用的无线电频率脉冲能量不确定度更高，根据时间与能量的测不准原理，二维红外光谱比二维核磁共振谱具有更高的时间分辨率。

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。