Neodüümoksiidil on optika valdkonnas lai valik rakendusi, eelkõige tänu oma ainulaadsetele optilistele omadustele. See on oluline tooraine lasermaterjalide valmistamisel ning saadud neodüümoksiidi kristallidel on suur laseri ristlõige ja pikk kasutusiga. Need omadused muudavad neodüümoksiidi ideaalseks optiliste seadmete, näiteks laserite ja kiudvõimendite tootmiseks.
Neodüümoksiidi kasutatakse ka neodüümklaasi tootmiseks. Selles klaasis olevad neodüümioonid on üliolulised suure energiaga laserite genereerimiseks, võimendades märkimisväärselt nõrka laserenergiat. See teeb sellest ühe võimsaima saadaoleva laserkandja, mis suudab väljastada Maa suurimat energiat. Neodüümklaasil on laserrakendustes ülitähtis roll teadusuuringutes, tööstuses ja muudes valdkondades, sealhulgas laserlõikamisel ja laserkeevitamisel.
Lisaks kasutatakse neodüümoksiidi spetsiaalsete optiliste läätsede loomiseks, mis filtreerivad teatud valguse lainepikkusi. Neid läätsi leidub tavaliselt laserrakendustes, näiteks vöötkoodiskannerites, meditsiiniseadmetes ja laserosutites.
Lisaks on neodüümiga legeeritud fosforitel optikas olulisi rakendusi. Konkreetsete lainepikkuste või energiaallikate poolt erutatuna kiirgavad need luminofoorid valgust ja neid kasutatakse laialdaselt kvaliteetsete teleriekraanide, arvutiekraanide ja luminofoorlampide tootmisel. Need aitavad luua eredaid ja erksaid kuvaefekte, säilitades samal ajal energiatõhususe.