นีโอไดเมียมออกไซด์มีการใช้งานที่หลากหลายในด้านทัศนศาสตร์ โดยสาเหตุหลักมาจากคุณสมบัติทางแสงที่เป็นเอกลักษณ์ เป็นวัตถุดิบที่สำคัญในการเตรียมวัสดุเลเซอร์ และผลึกนีโอไดเมียมออกไซด์ที่ได้จะมีหน้าตัดของเลเซอร์สูงและอายุการใช้งานยาวนาน คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้นีโอไดเมียมออกไซด์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตอุปกรณ์ออพติคัล เช่น เลเซอร์และเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์
นีโอไดเมียมออกไซด์ยังใช้ในการผลิตแก้วนีโอไดเมียม ไอออนนีโอไดเมียมในแก้วนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างเลเซอร์พลังงานสูง ซึ่งจะขยายพลังงานเลเซอร์ที่อ่อนแอได้อย่างมาก ทำให้เป็นหนึ่งในสื่อเลเซอร์ที่ทรงพลังที่สุดที่มีอยู่ ซึ่งสามารถส่งออกพลังงานที่สูงที่สุดในโลกได้ แก้วนีโอไดเมียมมีบทบาทสำคัญในการประยุกต์ใช้เลเซอร์ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ อุตสาหกรรม และสาขาอื่นๆ รวมถึงการตัดด้วยเลเซอร์และการเชื่อมด้วยเลเซอร์
นอกจากนี้ นีโอไดเมียมออกไซด์ยังใช้เพื่อสร้างเลนส์สายตาพิเศษที่กรองความยาวคลื่นเฉพาะของแสง เลนส์เหล่านี้มักพบในการใช้งานเลเซอร์ เช่น เครื่องสแกนบาร์โค้ด อุปกรณ์ทางการแพทย์ และตัวชี้เลเซอร์
นอกจากนี้ ฟอสเฟอร์ที่เจือด้วยนีโอดิเมียมยังมีการใช้งานที่สำคัญในด้านทัศนศาสตร์ เมื่อตื่นเต้นกับความยาวคลื่นหรือแหล่งพลังงานจำเพาะ สารเรืองแสงเหล่านี้จะปล่อยแสงและใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตจอโทรทัศน์ จอคอมพิวเตอร์ และหลอดฟลูออเรสเซนต์คุณภาพสูง ช่วยสร้างเอฟเฟกต์การแสดงผลที่สว่างสดใสในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน