ใช้ในงานวิจัยด้านฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ โดยเฉพาะในการพัฒนาแหล่งกำเนิดแสงในช่วงอินฟราเรด ซึ่งเหมาะสำหรับการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติก นิยมใช้เป็นโดปแอนต์ในผลึกหรือแก้วเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเลเซอร์ที่ทำงานในช่วงคลื่น 2 ไมครอน ซึ่งมีประโยชน์ในทางการแพทย์ เช่น เลเซอร์ผ่าตัดหรือการบำบัดเนื้อเยื่อ นอกจากนี้ยังใช้ในงานด้านแม่เหล็กเฉพาะที่ต้องการคุณสมบัติของธาตุหายาก และในบางกรณีใช้เป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์สารประกอบของธูลิอัมอื่นๆ ที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ