ใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์วัสดุที่มีธูลิเยียมสำหรับอุปกรณ์เลนส์พิเศษ เลเซอร์ และฟอสเฟอร์ในแหล่งกำเนิดแสง เช่น หลอดเรืองแสงและจอแสดงผล ใช้ในงานวิจัยเพื่อพัฒนาสารเรืองแสงที่ปล่อยแสงในช่วงอินฟราเรดใกล้ ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการถ่ายภาพ การตรวจจับ และการสื่อสารด้วยแสง เป็นแหล่ง dopant ในการผลิตเลเซอร์สถานะของแข็งและตัวขยายสัญญาณ โดยเฉพาะในเทคโนโลยีไฟเบอร์ออปติกและอุปกรณ์ทางการแพทย์ นอกจากนี้ยังใช้ในการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการแปลงสารอินทรีย์บางชนิด ในเซรามิกส์ขั้นสูง และในการศึกษาพฤติกรรมของไอออนธาตุหายากในเมทริกซ์น้ำและของแข็ง