Многофото́нная иониза́ция, ионизация атомов, молекул, а также атомарных и молекулярных ионов при поглощении в одном элементарном акте двух и более фотонов электромагнитного поля. Минимальное число фотонов, поглощаемых при многофотонной ионизации, определяется законом сохранения энергии, согласно которому потенциал ионизации атома должен быть равен или несколько меньше суммарной энергии поглощаемых фотонов. Потенциал ионизации атомов составляет несколько электронвольт, а энергия одного фотона видимого и инфракрасного диапазонов частот составляет 1–1,5 эВ, поэтому многофотонная ионизация возможна лишь при достаточно больших интенсивностях излучения. В оптическом диапазоне многофотонную ионизацию атомов стали наблюдать только после создания лазеров; экспериментально она была обнаружена в 1965 г.

Вероятность ${w}$ многофотонной ионизации в единицу времени определяется соотношением ${w = α_{m}I^{m}}$, где ${m}$ – число одновременно поглощённых фотонов, ${I}$ – интенсивность лазерного излучения, ${α}_{m}$ – сечение ионизации, зависящее от конкретного ионизуемого атома. Теоретически вероятность многофотонной ионизации рассчитывается в рамках нестационарной теории возмущений. Вероятность многофотонной ионизации очень сильно возрастает с ростом интенсивности, особенно при больших значениях ${m}$. В экспериментах многофотонная ионизация наблюдается при интенсивности лазерного излучения свыше 10¹²–10¹³ Вт/см². При дальнейшем повышении интенсивности начинают поглощаться дополнительные фотоны лазерного поля. Их число возрастает с ростом интенсивности, и при ${I >} 10^{14}–10^{15}$ Вт/см² многофотонная ионизация сменяется туннельной ионизацией, более плавно зависящей от интенсивности. При ${I > 10^{16}}$ Вт/см² туннельная ионизация переходит в надбарьерную ионизацию, при которой электрон вылетает из атома за т. н. атомное время, т. е. за время порядка 10^–17 с. В достаточно длинных лазерных импульсах вместо перехода в режим туннельной ионизации происходит насыщение ионизации, когда за время действия импульса ионизуются все атомы среды. Это происходит при выполнении условия ${wτ > 1}$, где ${τ}$ – длительность импульса.

При изменении частоты лазерного излучения могут возникать резонансные максимумы многофотонной ионизации, при которых энергия перехода из основного состояния в возбуждённое кратна энергии фотона. В слабом поле резонансные частоты определяются спектром излучения атома. В сильном поле они изменяются из-за динамических штарковских сдвигов (см. Эффект Штарка) между начальным состоянием и промежуточным резонансным возбуждённым состоянием. В отсутствие промежуточного резонанса многофотонную ионизацию называют прямой, при его наличии – резонансной. В резонансном случае значение ${m}$ меньше, чем в прямом. Эксперименты по многофотонной ионизации обычно проводятся с разреженными газами, чтобы исключить процессы столкновительной ионизации. В плотных газах происходит лавинная ионизация (см. Электронная лавина). Резонансная многофотонная ионизация лежит в основе метода многофотонной резонансной спектроскопии, для которой характерны высокие селективность по частоте и эффективность регистрации.