Optisk pumpning är en process där ljus används för att höja (eller ”pumpa”) elektroner från en lägre energinivå i en atom eller molekyl till en högre. Den används ofta i laserkonstruktioner för att pumpa det aktiva lasermediet så att man uppnår populationsinversion. Tekniken utvecklades av 1966 års Nobelpristagare Alfred Kastler i början av 1950-talet.
Optisk pumpning används också för att cykliskt pumpa elektroner bundna i en atom eller molekyl till ett väldefinierat kvanttillstånd. För det enklaste fallet med koherent optisk pumpning i två nivåer av en atomart som innehåller en enda elektron i yttre skalet innebär detta att elektronen pumpas koherent till en enda hyperfin delnivå (märkt m F {\displaystyle m_{F}\!} m_{F}\!), som definieras av pumplaserns polarisering tillsammans med kvantvalsreglerna. Vid optisk pumpning sägs atomen vara orienterad i en specifik m F {\displaystyle m_{F}\!} m_{F}\!, men på grund av den cykliska karaktären hos optisk pumpning kommer den bundna elektronen i själva verket att genomgå upprepad excitering och sönderfall mellan högre och lägre tillståndssubnivåer. Frekvensen och polariseringen av pumplasern bestämmer vilken m F {\displaystyle m_{F}\!} m_{F}\! delnivå atomen är orienterad i.
I praktiken kan det hända att helt koherent optisk pumpning inte inträffar på grund av att effekten breddar linjebredden för en övergång och oönskade effekter, som t.ex. fångst av hyperfinstruktur och strålningsfångst. Därför beror atomens orientering mer allmänt på laserns frekvens, intensitet, polarisering, spektrala bandbredd samt linjebredden och övergångssannolikheten för den absorberande övergången.
Ett experiment med optisk pumpning är vanligt förekommande i laboratorier för fysikstuderande, där man använder gasisotoper av rubidium och visar förmågan hos elektromagnetisk strålning med radiofrekvens (MHz) att effektivt pumpa och avpumpas dessa isotoper.