Pompowanie optyczne to proces, w którym światło jest używane do podnoszenia (lub „pompowania”) elektronów z niższego poziomu energetycznego w atomie lub cząsteczce do wyższego. Jest ono powszechnie stosowane w budowie laserów, do pompowania czynnego ośrodka laserowego tak, aby osiągnąć inwersję populacji. Technika ta została opracowana przez laureata Nagrody Nobla z 1966 roku Alfreda Kastlera na początku lat pięćdziesiątych.
Pompowanie optyczne jest również stosowane do cyklicznego pompowania elektronów związanych w atomie lub molekule do dobrze zdefiniowanego stanu kwantowego. Dla najprostszego przypadku koherentnego dwupoziomowego pompowania optycznego atomu zawierającego pojedynczy elektron zewnętrznej powłoki, oznacza to, że elektron jest koherentnie pompowany do pojedynczego podpoziomu nadsubtelnego (oznaczonego jako m F {displaystyle m_{F}}} 
W praktyce, całkowicie koherentne pompowanie optyczne może nie wystąpić ze względu na rozszerzenie mocy szerokości linii przejścia i niepożądane efekty, takie jak pułapkowanie struktury nadsubtelnej i pułapkowanie promieniowania. Dlatego orientacja atomu zależy bardziej ogólnie od częstotliwości, natężenia, polaryzacji, szerokości spektralnej lasera, jak również szerokości liniowej i prawdopodobieństwa przejścia absorpcyjnego.
Doświadczenie pompowania optycznego jest powszechnie spotykane w laboratoriach licencjackich fizyki, wykorzystujących gazowe izotopy rubidu i wykazujących zdolność promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości radiowej (MHz) do efektywnego pompowania i rozpompowywania tych izotopów.