Optyczny zegar atomowy (także zegar optyczny) – typ zegara atomowego, w którym wzorzec częstotliwości stanowi przejście atomowe lub jonowe w zakresie optycznym. Ponieważ częstotliwości optyczne są rzędu setek teraherców, zegary tego typu umożliwiają dokładniejszy pomiar czasu niż mikrofalowe zegary cezowe i należą do najprecyzyjniejszych przyrządów pomiarowych współczesnej fizyki. Zegary optyczne to jeden z głównych kierunków rozwoju metrologii czasu i częstotliwości, a ich rosnąca stabilność oraz malejąca niepewność systematyczna sprawiają, że uważa się je za kandydatów do przyszłej redefinicji sekundy.
Zasada działania W zegarze optycznym rolę oscylatora pełni ultrastabilny laser, którego częstotliwość jest dostrajana do bardzo wąskiego przejścia kwantowego w atomie lub jonie. Ponieważ częstotliwości światła są zbyt wysokie, by bezpośrednio zliczać drgania za pomocą klasycznej elektroniki, do porównywania sygnału optycznego z sygnałami z zakresu radiowego używa się grzebienia częstości optycznych.