地震物理模型超声成像技术是一种在地震波勘探中常用的实验模拟研究技术。通常是将油气储藏地层结构按照1:10²～1:10⁷的比例缩小的模型结构,用来研究地震波传输规律及理论推演方法。针对目前常规超声成像技术所使用的电类换能器体积大、易受电磁干扰、扫描效率低等不足,本文从超声激励方法和光纤超声传感两个方面考虑,借助全光检测优势（宽频响应、高空间分辨率、高灵敏度等）探索了一种全新的地震物理模型超声成像技术。探究了二硫化钨（WS₂）薄膜材料的激光超声激励规律,并将其作为激光超声激励中的换能材料。同时,研制了基于光纤微结构加工技术的声耦合锥光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器,对提高超声波品质以及检测分辨率,提升传感器灵敏度等具有重要意义。在WS₂薄膜光声材料研究方面,利用液体剥离方法制备了WS₂薄膜材料,并对其进行了X射线衍射（XRD）,拉曼光谱和紫外-可见吸收光谱等表征。通过实验测试了WS₂分散液体积与激励激光的功率对WS₂材料激光超声激励效率的影响。实验证明,在一定范围内,随着WS₂分散液体积与激励激光功率的增加,WS₂薄膜材料的激光超声激励响应也随之增加。该部分工作为地震物理模型全光超声成像提供了更加优质的声源,提升了超声成像效率。在光纤超声波传感器研制方面,基于细芯光纤（TCF）与单模光纤（SMF）间的纤芯失配原理,设计制作了一种声耦合锥光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器。在该传感结构中,使用光纤微结构加工技术对TCF进行折射率调制以增加光波耦合效率,并利用声耦合锥的声聚焦特性,进一步增强该传感器的超声波响应灵敏度。该光纤传感器对于5 MHz的超声方波脉冲信号信噪比可达到63.72 d B,且稳定性测试结果良好。由于优秀的高频超声波感测能力,该光纤传感器可以提高超声成像的空间分辨率,非常适用于地震物理模型全光超声成像系统。在全光超声成像实验中,结合光纤超声传感技术和激光超声激励技术二者优势。将WS₂薄膜材料贴附在模型表面,使用脉冲激光进行激励以产生超声波,再利用所设计的光纤超声波传感器感测携带模型结构信息的超声回波信号,实现了拱桥型和方孔型两种地震物理模型的全光超声成像。