Можно ли сразу использовать индекс найденной уникальной нормализованной строки, чтобы вернуть элемент из исходного массива, без дополнительного поиска индекса?

Да, если нормализация сохраняет длину и порядок массива: индекс нормализованной строки совпадает с исходным.

Например, normalized = source.map(normalize) сохраняет соответствие. После filter, сортировки или удаления дубликатов такой гарантии уже нет; тогда храните исходный индекс рядом со значением. Отдельно определите, что считать уникальностью.