Le pompage optique est un processus dans lequel la lumière est utilisée pour élever (ou « pomper ») les électrons d’un niveau d’énergie inférieur dans un atome ou une molécule à un niveau supérieur. Il est couramment utilisé dans la construction de lasers, pour pomper le milieu actif du laser de manière à obtenir une inversion de population. La technique a été mise au point par Alfred Kastler, prix Nobel 1966, au début des années 1950.
Le pompage optique est également utilisé pour pomper cycliquement des électrons liés à l’intérieur d’un atome ou d’une molécule vers un état quantique bien défini. Pour le cas le plus simple du pompage optique cohérent à deux niveaux d’une espèce atomique contenant un seul électron de l’enveloppe externe, cela signifie que l’électron est pompé de manière cohérente vers un seul sous-niveau hyperfin (étiqueté m F {\displaystyle m_{F}\!} 
En pratique, un pompage optique complètement cohérent peut ne pas se produire en raison de l’élargissement en puissance de la largeur de ligne d’une transition et d’effets indésirables tels que le piégeage de la structure hyperfine et le piégeage du rayonnement. Par conséquent, l’orientation de l’atome dépend plus généralement de la fréquence, de l’intensité, de la polarisation, de la largeur de bande spectrale du laser ainsi que de la largeur de ligne et de la probabilité de transition de la transition absorbante.
Une expérience de pompage optique se trouve couramment dans les laboratoires de premier cycle de physique, utilisant des isotopes gazeux de rubidium et montrant la capacité du rayonnement électromagnétique de radiofréquence (MHz) à pomper et à dépomper efficacement ces isotopes.