ใช้หลัก ๆ ในงานวิจัยและการประยุกต์ใช้ทางแสงเฉพาะทาง สารประกอบนี้ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำหรับการสังเคราะห์วัสดุที่ doped ด้วยธูเลียม วัสดุเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในเลเซอร์สถานะของแข็งที่ทำงานในช่วงใกล้แสงอินฟราเรด ซึ่งมีประโยชน์ในระบบเลเซอร์ทางการแพทย์และทันตกรรม นอกจากนี้ยังถูกนำมาใช้ในการผลิตฟอสเฟอร์และวัสดุเรืองแสงสำหรับเทคโนโลยีการแสดงผล เช่น จอแสดงผล และในแอปพลิเคชันการถ่ายภาพรังสีเอกซ์บางอย่าง เนื่องจากธูเลียมมีลักษณะการปล่อยรังสี X ที่ดี รวมถึงหลอดเรืองแสง นิยมใช้ในห้องปฏิบัติการเพื่อศึกษาคุณสมบัติของธาตุหายาก โดยเฉพาะเคมีของแลนธาไนด์และคุณสมบัติแม่เหล็กที่อุณหภูมิต่ำ