中国地大物博且疆域辽阔,地层储藏丰富、构造复杂。在节能减排与可持续增长的国民经济和社会发展新常态下,驱使人们更加关注地层物理信息的精细分析、深度认识、准确掌握;更加努力地探索地层能源结构的新特征、新规律、新储藏。在对地层信息成像的研究中,传统的电类成像手段存在一定的局限性,容易被电磁波干扰、不够灵活且占用空间较大。激光超声成像的方式中,激光具有灵活可控制的优势。在接收端,光纤的结构具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、灵敏度优于电类传感器等优点,所以激光超声地震物理模型成像技术的研究便具有着重要的意义。本文中地震物理模型成像系统利用高功率短脉冲激光作为激励源,配合金属薄膜光声功能材料,在地震物理模型表面激励高品质超声信号。其主要技术优势为:实现在待测模型表面非接触式激励不同模式的超声波（纵波、横波、表面波）,灵活调节激光声源（点、线、环等）;先进功能材料在增强声激发的同时提高模型表面激光损伤阈值,实现非接触式无损检测,是一种地震物理模型超声激励的新技术。实验采用激光超声技术结合脉冲激光照射样品进行地震物理模型成像。为了实现增强激光超声信号的目的,在模型的表面贴附上一层金属薄膜光声功能材料。声压与激光辐照强度呈线性相关。激发的超声波被传输到地震物理模型中,使用标准的压电陶瓷换能器（OLYMPUS NDT）收取通过内部结构反射的回波信号。最后利用地震物理模型成像的时间反演算法重建模型的图像。接着设计了一款法布里珀罗式光纤超声波传感器用以改进压电陶瓷换能器作为接收端的缺陷,通过换能器激发不同频率、不同能量大小的超声波来测试传感器对于超声波的响应。实验结果表明该传感器对于超声波的探测有着良好的表现,在将来的研究中可以用作成像系统的接收端,以期实现全光型激光超声地震物理模型成像系统。本论文主要选用了4种金属薄膜材料（金、银、铜和铝）进行激光超声地震物理模型成像方面的研究。对不同材料的光声响应信号进行了测试表征,将同一材料不同厚度和不同材料同一厚度进行了对比实验,旨在解决地震物理模型激光超声成像技术研究中光声转化效率低、光声信号弱等问题。选用光声效应表现良好的的金纳米薄膜材料与地震物理模型相结合,其中纳米尺度薄膜与激光相互作用产生声波,并进一步对其在地震物理模型内部传播过程进行了仿真分析,得到了模拟数据。之后与实验数据处理结果进行比较,不断进行优化完善。本论文的研究内容对于激光超声成像研究方面有着重要的科学意义和实际应用价值。