Les oscillateurs dans le domaine optique sont des lasers qui délivrent un champ électromagnétique oscillant à une fréquence extrêmement élevée dans la gamme 500-1000 THz (1 THz = 10¹² Hz) pour un rayonnement optique dans le domaine visible.

Toutefois, les qualités spectrales d’un laser du commerce utilisé tel quel ne sont absolument pas suffisantes pour répondre à un besoin métrologique exigeant. C’est pourquoi de nombreuses techniques de stabilisation en fréquence des lasers ont été développées depuis plusieurs décennies afin de repousser les limites de pureté spectrale et de stabilité de fréquence des lasers. Ces développements ont été motivés par le développement des horloges optiques et aussi pour effectuer des mesures interférométriques de très haute précision. On peut citer entre autres des tests de la relativité restreinte identiques dans le principe à ceux menés par Albert Michelson et Edouard Morley à la fin du XIX^ème siècle ou les interféromètres optiques géants pour la détection des ondes gravitationnelle.

La technique de stabilisation de la fréquence d’un laser la plus couramment utilisée utilise comme référence passive une cavité optique résonante de type Fabry-Perot dont les raies de résonance sont extrêmement fines grâce à une finesse très élevée, pouvant atteindre un million dans les dispositifs les plus performants. Ces cavités sont réalisées dans des matériaux de très faible coefficient de dilatation thermique afin de réduire au mieux la sensibilité thermique des fréquences de résonance. Des améliorations ont aussi été apportées pour repousser les limites dues à la sensibilité accélérométrique de la cavité Fabry-Perot et au bruit thermique qui induisent des fluctuations de la longueur de la cavité donc de ses fréquences de résonance : développement de géométries originales de cavité pour réduire au mieux les modes de vibrations résiduelles, opération à température cryogénique pour réduire le bruit thermique. Précisons que c’est grâce au développement et à l’application de cette technique à des mesures de précision qu’un de ses inventeurs, John Hall, a obtenu le prix Nobel de physique en 2005.

Il est possible d’envisager d’autres techniques de stabilisation de fréquence des lasers dans lesquelles la cavité Fabry-Perot de très haute finesse est remplacée par un autre dispositif : une ligne à retard fibrée ou un cristal offrant des propriétés spectroscopiques appelées « Spectral Hole Burning » tout à fait originales.

La fréquence du signal délivré par un laser stabilisé, dans la gamme des fréquences optiques, doit pouvoir être transférée dans d’autres domaines de fréquence et en particulier dans le domaine micro-onde où se situent la plupart des applications. La comparaison entre des horloges optiques et des horloges micro-ondes requiert aussi ce raccordement optique – micro-onde qui nécessitait il y a 20 ans un dispositif expérimental très complexe mais qui est devenu depuis 10 ans une opération plus simple à réaliser grâce au développement de peignes de fréquence utilisant des lasers femtosecondes. Cette technique, qui a valu en 2005 le prix Nobel de physique à son inventeur Theodor Hänsch, permet aujourd’hui de raccorder directement une fréquence optique à une fréquence micro-onde avec une incertitude relative de fréquence dans la gamme de 10^-17. Les peignes de fréquence femtosecondes sont aussi très efficaces pour transférer les performances (pureté spectrale, stabilité de fréquence) exceptionnelles des lasers stabilisés dans le domaine micro-onde où de telles performances ne peuvent pas être obtenues directement.