水(H2O)一直以来都是物理化学领域研究的热点问题之一。水对所有已知的生命形式都至关重要,这使它成为“生命的溶剂”。水分子拥有许多独特的物理和化学性质,这跟水分子的氢键网络结构是密不可分的。此外水的三维氢键网络结构变化处于ps(10-12 s)甚至fs(10-15s)的时间尺度,一般的技术手段无法观测到这种快速的动态变化。离子和有机小分子等其他物质被加入到水中后,特定离子是否会影响水的微观结构?有机小分子-水二元体系中水分子的结构动力学如何变化?迫切需要一种具有超快时间分辨的技术来解析以上问题。超快多维振动光谱技术的发展为研究上述发生在ps甚至fs尺度的动力学和动态变化提供了一种合适手段。基于此,本学位论文利用已成功搭建的超快多维振动光谱技术,研究了将离子和有机小分子加入水中后,水的结构和动力学行为。具体来说,本论文研究工作主要包括以下三个方面的内容:第一部分:使用偏振选择性红外泵浦探测实验,研究了 NaC104和LiC104的4%HOD水溶液中,特定阳离子对ClO4-水合层中水分子的振动弛豫动力学的影响。我们发现和高氯酸盐结合的水分子的重新取向动力学显示出双指数驰豫,与阴离子氢键结合的水分子的旋转动力学受到限制,不能驰豫到零。即使在浓溶液中,阳离子(Li+,Na+)对与ClO4-氢键键合的水分子的振动弛豫动力学的影响也相对可以忽略不计。第二部分:结合傅里叶变换红外光谱和超快红外光谱,我们将SCN-作为局部振动探针,通过研究SCN-的振动弛豫动力学和转动动力学揭示DMSO体相水溶液中的结构和动力学。结果表明,由于DMSO的存在,SCN-阴离子的转动动力学显著减慢且表现出浓度依赖性,并在DMSO摩尔分数为0.35时转动动力学最慢。通过比较SCN-水分子的转动动力学,我们提出DMSO和水分子之间形成一种复合结构并具有相似的动态行为,并且SCN-位于这种复合结构附近,可以反映局部环境的结构动态;此外我们的数据还表明,DMSO并没有形成聚集结构或微观异相结构。在第二部分的工作中,我们还利用具有界面选择性的非共振二次谐波(SHG)技术,研究了 DMSO在空气/纯DMSO液体界面处和空气/DMSO水溶液界面处的分子结构和吸附。通过对SHG偏振的定量分析,我们将界面DMSO的分子取向作为体相DMSO浓度的函数,得到空气/纯DMSO液体界面处DMSO分子的S=O基团的跃迁偶极矩的取向离表面法线140°。我们猜想DMSO的S=O基团与表界面成30°角并且发现界面DMSO的S=O基团的取向不依赖于体相中的DMSO浓度。此外,浓度依赖SHG信号的结果表明,DMSO在空气/DMSO水界面处没有形成反平行双层结构。我们还测得在空气/DMSO水溶液界面处,DMSO的吸附自由能为△Gads=-5.6±0.4 kJ/mol。该实验结果表明,与其他极性分子相比,DMSO分子不太可能与其自身结合。第三部分:对已搭建完成的超快光谱实验装置进行介绍,主要包括:偏振选择性泵浦探测实验(包括中红外激发-中红外探测实验以及可见光激发-中红外探测实验)、二维红外实验以及和频振动光谱实验。主要对仪器功能、光路设置、信号优化和信号采集等信息进行说明。