Optisk pumpning er en proces, hvor lys bruges til at hæve (eller “pumpe”) elektroner fra et lavere energiniveau i et atom eller molekyle til et højere. Den anvendes almindeligvis i laserkonstruktioner til at pumpe det aktive lasermedium for at opnå populationsinversion. Teknikken blev udviklet af Alfred Kastler, der fik Nobelprisen i 1966, i begyndelsen af 1950’erne.
Optisk pumpning bruges også til cyklisk at pumpe elektroner, der er bundet i et atom eller molekyle, til en veldefineret kvantetilstand. For det enkleste tilfælde af kohærent optisk pumpning på to niveauer af en atomart, der indeholder en enkelt elektron i den ydre skal, betyder dette, at elektronen pumpes kohærent til et enkelt hyperfinesubniveau (mærket m F {\displaystyle m_{F}\!} m_{F}\!), som er defineret af pumpelaserenes polarisering sammen med kvantevalgsreglerne. Ved optisk pumpning siges atomet at være orienteret i en bestemt m F {\displaystyle m_{F}}\!} m_{F}\! underniveau, men på grund af den cykliske karakter af optisk pumpning vil den bundne elektron faktisk undergå gentagen excitering og henfald mellem de øvre og nedre tilstandsunderniveauer. Frekvensen og polariseringen af pumpelaseren bestemmer, hvilken m F {\displaystyle m_{F}\!} m_{F}\! underniveau atomet er orienteret i.
I praksis kan fuldstændig kohærent optisk pumpning muligvis ikke forekomme på grund af effektudvidelse af linjebredden af en overgang og uønskede virkninger som f.eks. hyperfinstrukturfældning og strålingsfældning. Derfor afhænger atomets orientering mere generelt af laserens frekvens, intensitet, polarisering, spektral båndbredde samt linjebredden og overgangssandsynligheden for den absorberende overgang.
Et optisk pumpeeksperiment findes almindeligvis i fysikstudenterlaboratorier, hvor man bruger rubidiumgasisotoper og viser evnen af radiofrekvent (MHz) elektromagnetisk stråling til effektivt at pumpe og afpumpes disse isotoper.