本发明公开一种采用全碳气凝胶回热填料的自由活塞式脉管制冷机，包括由热桥耦合的多个脉管制冷机单元，多个脉管制冷机单元中的至少一个包括依次连接的压缩装置、回热器、冷端换热器、脉管以及脉管热端换热器，脉管内置有一个包括弹簧和自由活塞的自由活塞系统，自由活塞通过弹簧与脉管热端换热器相连；自由活塞是由气凝胶柱构成，该气凝胶柱与脉管间隙密封配合；多个脉管制冷机单元中的最低温度级脉管制冷机单元的回热器的低温端填充有全碳气凝胶层。通过在脉管制冷机的回热器中填充有孔隙率可达95%以上、吸附能力强的全碳气凝胶层以及利用气凝胶材料制成脉管制冷机的自由活塞，以达到在深低温下制冷效率高的效果。