研究凝聚相中分子在平衡态的动态结构具有重要意义。振动光谱如红外对分子的结构及变化非常灵敏。近年来发展起来的飞秒多维红外光谱技术是研究超快分子动态结构的有效光谱手段。这一手段的实施需要用到可靠的中红外飞秒光源。本论文围绕飞秒红外光源的实现和生物小分子非谐性振动特征的计算预测而进行，取得了以下几个方面的研究成果：　　 1)利用KTP非线性晶体和中心波长为800 nm、脉宽为35 fs、单脉冲能量为3 mJ的激光源搭建了一套飞秒光参量放大装置。结果表明，输出的信号光在1-1.2μm的近红外区域，空闲光在2.5-4.5μm的中红外区域。因此，该光参量放大装置可以直接产生中红外飞秒激光。利用自行搭建的光谱测量装置测试了所产生的信号光和空闲光输出能量、线宽和光谱等信息。典型的3μm波长处单脉冲能量约为4μJ。　　 2)利用β-BBO非线性晶体和上述光源搭建了一套飞秒近红外光参量放大器，获得了近红外波段的信号光和空闲光(1.2-2.4μm)。并利用AgGaS2非线性晶体搭建了一套差频装置，将上述信号光和空闲光进行差频，获得了中红外光输出，工作波长调谐范围在3-10μm，单脉冲能量约为2μJ。　　 3)尝试搭建了一套共享超连续白光的双BBO参量放大装置及相应的AgGaS2差频装置。其中BBO光参量放大部分可产生四束波长单独可调的近红外(1.2-2.4μm)飞秒脉冲。利用相应的差频装置，能产生两束波长单独可调的中红外(波长范围3-10μm)飞秒激光，能为后续的时间分辨双频泵浦探测实验提供结构紧凑、波长灵活可调、相位稳定的多脉冲光源。　　 上述诸装置的搭建为进行超快分子结构和动力学的泵浦探测、二维和三维红外光谱等手段的研究提供了有效的飞秒近红外和中红外光源。　　 4)利用振动自洽场(VSCF)量化方法，计算了甲基乙酰胺(N-methylacetamide，NMA)、氨基酸(glycine和alanine)和甲酰胺(formamide)等生物小分子的非谐性基频、倍频、和频和三倍频的振动跃迁频率以及跃迁强度；结合密度泛函理论B3LYP/6-31G(d，p)在内坐标系下计算的肽类分子体系的振动基频频率和跃迁强度与实验值进行了比较。结果表明，上述方法比MP2/DZP电子结构理论在笛卡尔坐标系下的计算结果还要好，其主要原因在于摆动和扭曲振动等多个低频振动模式在内坐标系下能得到更好的描述。　　 5)通过VSCF计算获得了上述分子体系的低振动态若干振动模式的对角非谐性常数和模式间的非对角非谐性常数。并对非谐性常数进行了组分分析，了解了各个振动模式的对角非谐性常数对其所处化学环境的敏感程度。考察了氘/氢取代对NMA和formamide分子的振动非谐性常数的影响。最后，尝试利用高激发态跃迁偶极矩来预测二维和三维红外光谱的强度。上述研究所获得的振动非谐性常数和态间跃迁偶极矩有助于多维红外光谱实验的解释及光谱模拟。　　 6)以水分子为研究对象，探讨了VSCF方法在配置简正坐标网格设置、虚拟的模式振动幅度设置、内坐标设置、电子结构方法和基组的选择、耦合模式势能项的近似处理等方面对非谐性频率计算结果的影响；研究了二氧化碳分子内振动模式间耦合势能强弱；计算获得了亚硝酸(HONO)和甲酸(HCOOH)分子体系在不同构象下的非谐性振动频率；研究了丙酮酸(CH3COCOOH)分子内氢键对振动模式耦合势能的影响。研究结果有助于拓展VSCF方法在非谐性振动光谱参数预测等方面的应用。