Одной из наиболее интересных и важных областей применения лазеров на красителях может оказаться разделение изотопов, особенно изотопов урана. Основными изотопами природного урана являются 235U и 238U, причем 235U содержится менее 1%. Для использования в качестве топлива в атомных реакторах требуется смесь с содержанием по крайней мере 3% 235U. В настоящее время используется газодиффузионный метод разделения изотопов урана — очень дорогой и медленный процесс. Предложенный метод разделения изотопов урана при помощи лазеров на красителях основан на том, что эти лазеры можно очень точно настроить на определенную длину волны. Причем точность их такова, что излучение может селективно возбуждать атомы 235U, не возбуждая при этом атомов 238U. Затем возбужденные атомы 235U ионизуют, что можно сделать с помощью другого (коротковолнового) источника света. Ионы 235U можно отделить затем от нейтральных атомов 238U в электростатическом поле. Хотя технология разделения изотопов урана в промышленных масштабах еще не разработана, эксперименты, проведенные для демонстрации принципиальной возможности разделения, оказались успешными. Для разделения больших количеств изотопов была предложена лазерная система, рассчитанная на работу со средней мощностью 10 Вт при длине волны 500 нм. Частота следования импульсов должна быть порядка 400 Гц при длительности импульса около 1 мкс. Вместо лазеров, работающих в видимой области спектра, некоторые схемы разделения изотопов требуют использования перестраиваемых «инфракрасных» лазеров для осуществления взаимодействия излучения с молекулярными колебаниями в гексафториде урана UF6. Проводятся исследования по созданию широкополосных перестраиваемых источников когерентного излучения в области длин волн от 2 до 20 мкм.