光学频率（～赫兹）比微波频率（赫兹）高出4至5个量级，大幅提高了鉴频谱线的Q值，进而提高原子钟的频率稳定度性能，频率不确定度也可以优于微波原子钟1001000倍。

光钟和微波原子钟一样，同样有原子系统、振荡器、伺服控制系统和计数器等部分组成。原子系统由不受相互碰撞及外界环境干扰的原子、离子或分子体系组成（如图）。光频标主要有两类原子系统：一是光晶格囚禁冷却的原子团；二是离子阱囚禁冷却的单离子（见离子钟）。对于中性原子光钟，主要采用碱土金属的原子。与离子钟相比，参与跃迁的原子数目较多（个），原子鉴频谱线信噪比高，并且可以减轻量子投射噪声的影响，因而可以获得更好的频率稳定度。首先利用多级激光冷却方法获得微开尔文量级的冷原子团，接着打开晶格激光，把冷原子装载在光晶格中，由于格点间距只相当于俘获光的半波长，原子运动只局限在半波长的范围，满足兰姆-狄克（Lamb-Dicke）条件，可以消除一级多谱勒频移。调节晶格激光的波长，可以使得上下跃迁能级的光频移相互抵消。原子的钟跃迁能级为严格禁阻跃迁线，其理论线宽通常为兆赫量级。原子跃迁概率采用共振荧光法实现检测，获得鉴频谱线。

光钟系统

振荡器为超窄线宽激光源，线宽通常为兆赫量级。以具有超高Q值的法布里-珀罗干涉仪为参考，通过射频调制（Pound-Drever-Hall，PDH）方法降低激光器的相位噪声。法布里-珀罗干涉仪由具有超低膨胀系数的材料制成，热膨胀系数为(0±30)×10^-9/℃，并且在5～35℃中有一个膨胀系数为“0”的温度点。腔镜采用同样的材料，并且镀有99.99%以上的高反射膜，通过光胶合技术粘在腔体上。法布里-珀罗干涉仪放置在超高真空腔室中，并进行温度控制和振动隔离。PDH方法是将激光进行射频电光相位调制，利用法布里-珀罗干涉仪的共振特性和光外差光谱检测技术获得鉴频谱线，通过反馈系统伺服控制激光器的频率，从而实现压窄激光线宽。PDH稳频系统的主要噪声有激光功率噪声、剩余幅度调制噪声、伺服系统噪声和干涉仪的振动噪声、热噪声，可以通过抑制上述噪声进一步压窄激光线宽。

飞秒光梳是飞秒脉冲激光光学频率梳的简称，是一种激光脉冲间隔在飞秒（秒）级别的脉冲光。它在时域上表现为一系列时间宽度在飞秒量级的超短脉冲；在频域上表现为一系列等频率间隔、位置固定、且具有极宽光谱范围的单色谱线，这种光谱的形状就像一把“梳状尺”，因此被称为飞秒光梳。飞秒光梳实现了其频率覆盖范围内的所有波长直接锁定和溯源至微波频率的基准，建立起了光波频率和微波频率的直接联系。飞秒光梳梳齿的频率，为载波包络相移频率，来源于载波和脉冲包络产生的相位延迟，在频域上表现为所有梳齿都沿着频率轴移动相同的偏移频率，所以也称偏移频率和零频率，为飞秒光梳的重复频率，指频域上每个梳齿的间隔，为梳齿的序号。和为射频信号，当已知后，就建立了光学频率和微波频率的直接联系。于是，锁定在原子跃迁频率上的激光通过飞秒光梳直接溯源至当前的“秒”定义频率。并且，利用飞秒光梳可以把超稳激光频率转换至微波波段，获得超低相位噪声的微波信号。

光钟的元素有锶（Sr）、镱（Yb）、汞（Hg）等，秒级频率稳定度达到量级、频率不确定度达到量级。光钟的短期频率稳定度主要受限于超窄线宽激光器的频率稳定度；频率不确定度主要受黑体辐射频移、二级塞曼频移和冷原子碰撞频移的影响，精确测量上述频移项可以进一步提高频率不确定度的性能。