El bombeo óptico es un proceso en el que se utiliza la luz para elevar (o «bombear») los electrones de un nivel de energía inferior en un átomo o molécula a uno superior. Se utiliza comúnmente en la construcción de láseres, para bombear el medio láser activo con el fin de lograr la inversión de la población. La técnica fue desarrollada por el Premio Nobel de 1966, Alfred Kastler, a principios de la década de 1950.
El bombeo óptico también se utiliza para bombear cíclicamente electrones unidos dentro de un átomo o molécula a un estado cuántico bien definido. Para el caso más simple de bombeo óptico coherente de dos niveles de una especie atómica que contiene un solo electrón de cáscara externa, esto significa que el electrón es bombeado coherentemente a un solo subnivel hiperfino (etiquetado m F {{displaystyle m_{F}\} 
En la práctica, el bombeo óptico completamente coherente puede no producirse debido al ensanchamiento de la potencia del ancho de línea de una transición y a efectos indeseables como el atrapamiento de la estructura hiperfina y el atrapamiento de la radiación. Por lo tanto, la orientación del átomo depende más generalmente de la frecuencia, la intensidad, la polarización y el ancho de banda espectral del láser, así como del ancho de línea y la probabilidad de transición de la transición absorbente.
Un experimento de bombeo óptico se encuentra comúnmente en los laboratorios de pregrado de física, utilizando isótopos gaseosos de rubidio y mostrando la capacidad de la radiación electromagnética de radiofrecuencia (MHz) para bombear y desbombear efectivamente estos isótopos.