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传统的红外光谱技术在定量分析，定性分析及有机结构分析中具有非常广泛的应用，然而它无法给出振动能级的寿命，分子的构象分布以及振动模式之间的非谐性耦合，能量传递等信息。而超快的非线性红外光谱技术，如时间分辨的红外泵浦-探测技术和飞秒二维红外光谱技术，使用一束超短的红外脉冲激光将分子体系的振动模式从振动基态激发到振动第一激发态，然后用另一束红外激光追踪该振动激发态随时间的变化过程，具有超高的时间分辨率，能够分辨超快的化学过程，弥补了传统的红外光谱技术的不足。超快非线性红外光谱技术可以跟踪振动能量的弛豫过程，能够探测分子周围的微观环境及分子内和分子间的相互作用，是研究分子结构及动力学的有效手段。 本论文利用稳态红外光谱，超快的非线性红外光谱结合量子化学理论计算开展了三个部分的研究:靛蓝衍生物靛蓝胭脂红在DSMO溶液中的振动、转动弛豫过程及其结构动力学;染料分子靛蓝的激发态质子转移过程;以及抗癌药物分子trans,trans,trans-[Pt(N3)2(OH)2(py)2]的结构动力学。 在第一部分工作中，我们利用飞秒泵浦-探测红外光谱和二维红外光谱(2D IR)研究了靛蓝胭脂红在二甲基亚砜中的振动弛豫及结构动力学。借助形成分子内氢键的C=O和离域化的C=C伸缩振动作为红外探针，观察了该蓝色染料分子的局域结构及动力学变化。我们发现振动激发的C=O伸缩振动的能量通过共价键向离域的芳香环振动模式弛豫，这个过程发生在几个皮秒甚至更短的时间尺度上。在魔角泵浦-探测、各向异性及2D IR交叉峰动力学中均观察到了振动量子拍频效应，它们都表现出1010fs的振荡周期，这对应于C=O和C=C跃迁频率(33cm-1)的能量差。这进一步表明这两个振子之间存在共振能量转移。然而，对于激发的C=O伸缩振动模式，其更有效的能量接收模式被认为是一个邻近的与C=O组分联系更紧密的和频和/或者倍频模式。在结构方面，C=O和C=C伸缩振动模式的动力学时间依赖的2D IR光谱表明非均匀展宽对时间相关弛豫的贡献并不显著，这与该类共轭分子的刚性结构大致吻合。 在第二部分工作中，我们利用飞秒时间分辨的可见泵浦-红外探测和可见泵浦-探测光谱研究了靛蓝聚集体在二甲基亚砜中的激发态结构动力学。实验结果首次表明在激发态出现了瞬态的分子间电子激发态质子转移，这与分子内的质子转移过程一样有效。形成的醇式组分在200-300fs就消失了，随后将经过一个圆锥交叉相互作用及一个相对慢的无辐射弛豫过程。这种短寿命的醇式结构可以用来更好地理解靛蓝聚集体结构的良好的光稳定性。同时，我们的实验结果为含有氢键的生物分子体系如DNA螺旋提供了一个一般的光稳定性机制。 在第三部分工作中，我们利用时间分辨的红外泵浦-探测光谱和超快二维红外光谱研究了一个潜在抗癌前体药物trans,trans,trans-[Pt(N3)2(OH)2(py)2]的振动和转动弛豫动力学及其结构动力学。以两个N3基团的反对称伸缩振动的线性组合模式作为红外探针研究了该药物分子在两种代表性的生物友好型溶剂H2O和DMSO中的局域结构及动力学变化。实验结果发现N3反对称伸缩振动模式在H2O中的振动弛豫过程比在DMSO溶液中的弛豫过程快两到三倍。实验发现，该抗癌前体药物在DMSO溶液中的转动过程受阻，表明在这种情况下样品分子周围的溶剂环境更紧密。在H2O溶液中，N3反对称伸缩振动模式的振动频率时间相关函数的衰减时间常数为1.94ps，这与水的氢键形成和断裂的时间尺度相吻合。在DMSO溶液中，N3反对称伸缩振动模式的频率时间相关函数的衰减发生在一个更长的时间尺度上，这也表明在实验时间窗口内它对相对静态的外层DMSO结构动力学具有较高的敏感性。