地震物理模型是根据相似性原理在实验室内制成的野外地质结构和地质体微型模型。地震物理模型实验是通过研究超声波在地震物理模型中传播的运动学和动力学特征,从而推断地震波在真实地质构造中的传播特征的一种地震模拟方法。传统的地震物理模型成像系统的信号源与探测器均为电类超声换能器,具有响应频带窄、体积大、易受电磁干扰、信号传输稳定性差等缺点。本文应用将光能量转化为超声能量的激光超声激励技术为地震物理模型成像系统提供多模式、高强度、宽频带的超声源;应用将超声波能量转换为光能量的光纤超声传感技术,为地震物理模型成像系统提供高灵敏度、高空间分辨率、宽频带的探测器,并结合二者优势搭建地震物理模型全光成像系统,提高地震物理模型成像质量。针对激光超声激励技术特点,选用比表面积大、柔韧性好、吸光度高的碳纳米管-金属复合材料进行超声激励研究。表征碳纳米管-金属复合材料的形貌及可见-紫外吸收谱,并通过实验测试了碳纳米管-金属复合材料的光声特性。通过对比不同材料的光声特性,最终选用光声响应优异的镍-碳纳米管材料,将其贴附于地震物理模型表面,作为光声换能材料为系统提供超声源。利用干涉型光纤超声传感器高灵敏度的优势,设计制作了一款基于锥形多芯光纤（Tapered Multi-core Fiber,TMCF）的超声传感器。通过选取不同的多芯光纤和设定不同的锥区直径,共研制了六款TMCF超声传感器,并通过理论模拟和实验测试对其传感性能进行对比分析,获得最优传感器为直径18μm的锥形四芯光纤（Tapered Four-core Fiber,TFCF）。将上述激光超声激励技术和光纤传感技术结合,搭建地震物理模型全光成像系统。将镍-碳纳米管薄膜贴附于地震物理模型表面,使用所设计的光纤传感器接收模型内部的超声回波信号,获得了高质量的地震物理模型成像图。