对高度精密的时间标准的基本要求是超稳定的振荡器或频率标准。下图示出了一般性的原子频率标准的方块图。A和B是由能量hv₀隔开的原子的两个可能超精细能态，其中，h是普朗克常数，V₀是跃迁的谐振频率。在正常条件下，两个能态的粒子数接近相同。用外加电磁场检测谐振时，能态之间必然存在着一定的粒子数失衡。可以用几种方法来检测，包括原子束中的磁状态选择或利用光抽运。当加上处于谐振频率的电磁场时，粒子数失衡可能被跃迁到相反能态的原子反转。跃迁可以用外部装置检测，且在外加场频率精确等于谐振频率v₀时达到最大。检出的信号用于伺服石英晶体振荡器，使其频率在经微波合成器倍频时精确等于能够提供最大能态变化的频率。

一般性的原子振荡器的方块图。能级A和B是不同的超精细能级。能量差等于频率差乘以普朗克常数

      另一类原子振荡器是脉泽（MASER)。具有一对能级的原子、在较高能级有大量的过剩粒子并具封闭在谐振于跃迁谐振频率的腔体内，可以产生非常纯的受激辐射振荡。谐振用于覆盖从射频到光频的宽广频率范围。光脉泽通常称为激光器 (LASER)。

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