定义
使用原子、离子或分子中的光跃迁的频率标准。
频率标准是用于产生或探测频率的设备。 在所有物理量中，频率（或时间）是迄今为止可以测量的最高精度。 光频率标准是指光学频率，例如光时钟，以及光纤通信。 基本上总是提供来自精心稳定频率的激光器的激光，或者用于稳定该激光的频率。
有源和无源频率标准
有源光学频率标准是一种激光源发射具有非常明确和已知的光学频率的光，或者有时是频率梳中几个甚至许多明确定义的光学频率分量的集合。 结合光学时钟，这样的频率标准可以构成光学时钟的基础。 在基础科学和实际技术方面，超精密光学频率标准还有其他应用领域，例如高精度激光光谱、全球定位系统、相对论测试和引力波探测。
无源光频率标准是具有明确定义频率响应的无源器件，可用于构建有源标准。 重要的例子是高Q参考腔和用于探测某些光学跃迁的多通道气体池等器件。
基于光学跃迁的标准
光学频率标准通常基于某些光学探测的电子跃迁（通常是禁止的跃迁），某些原子（例如Ca，Rb，Sr，Yb，Mg或H），离子（Hg，Sr，Yb，In，Al）或分子（I2= 碘，CH4= 甲烷，C2H2= 乙炔）。 这种跃迁应该具有非常小的带宽，用于将单频激光器的频率稳定到跃迁频率。 为了减少热运动（多普勒展宽）和碰撞造成的不均匀展宽，必须将粒子的密度和相对速度降至最低。 一种可能性是将颗粒保持在真空室内的陷阱（例如潘宁陷阱或光学陷阱）中，并应用激光冷却以强烈降低温度。 这允许对时钟转换进行非常精确的光谱测量。 或者，可以在激光冷却的原子束上进行这种测量。 当精度较低时，使用简单的气体池，例如使用无多普勒激光吸收光谱进行探测。
在未来，甚至有可能使用某些低能核跃迁，例如229Th（钍229）离子，以获得更高的定时精度[14]。
为了在高精度光学原子钟中发挥作用，原子、离子或分子应满足许多要求：
- 时钟转换应具有非常窄的线宽（高Q因数）。
- 光学时钟频率应该方便，以便可以使用合适的询问激光器，并且进一步处理（例如连接到光学发条装置）很方便。
- 应该有其他适合激光冷却的过渡。
- 时钟转换应该对外部干扰因素（如电场或磁场）非常不敏感。
在离子的情况下，仅使用单个离子通常是有利的，以消除离子-离子相互作用的干扰，并使离子正好位于阱的中心。 通常可以在陷阱中将激光冷却到离子运动的量子力学基态。 当陷阱电位打开时，可以询问时钟转换。 单离子频率标准液几乎不受系统频移的影响。 然而，对于单个粒子，审讯的信噪比相当小。 这对频率标准的稳定性是不利的，因为振荡器的短期偏差不能很好地抑制。
中性原子可以大量使用，例如一百万，以大大提高信噪比，从而实现频率标准的非常高的稳定性。 然而，原子之间的碰撞会导致无法控制的频移。 此外，磁光陷阱在询问时钟转换时通常必须关闭，因为陷阱的光场引入了难以消除的系统频移。 关闭陷阱会限制交互时间，并引入与多普勒相关的频移。 这些问题可以通过将原子加载到光晶格[8，12]中来解决，就像叠加的激光束一样，并且可以通过调整光学频率来操作陷阱，使其对上下能级的影响完全抵消[12]。 这种光学晶格钟可以在很大程度上消除系统频移。
参考腔作为飞轮振荡器
由于用于询问弱时钟转换的信噪比通常很小（特别是对于离子阱），因此使用稳定的激光器作为飞轮振荡器非常重要。 激光器通常稳定到具有高Q因数的稳定参考腔，这具有良好的短期稳定性（并且本身可以被视为频率标准）。 然后使用时钟转换来提供长期稳定性，由于各种漂移，腔体无法保证这一点。
准确度、精密度、稳定性
准确度、精度和稳定性这两个术语在频率计量学（和其他计量领域）中得到了很好的区分：
- 高精度意味着通过长时间平均测量产生的光学频率与指定频率精确匹配。
- 高精度意味着重复的频率测量产生的值具有较小的标准偏差，即接近其平均值。
- 高稳定性意味着产生的频率仅表现出微弱的漂移。
例如，单离子频率标准液可以非常准确和稳定，但在精度方面通常不如基于原子云的标准。
